THIẾT KẾ MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT ( TUABIN GIÓ MỘT TẦNG CÁNH TRỤC NGANG)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TP.HCM KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ KHÍ THIẾT KẾ MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT Đề tài: Hệ thống điện gió trục ngang một tầng cánh Họ và tên: Mai Hoàng Trung - 615104C056 : Hoàng Văn Thảo - 615104C005 Lớp : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử K61 GVHD : TS Nguyễn Hữu Chí TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay vai trò của điện năng là rất quan trọng vì nó phải đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục cho tất cả các nghành công nghiệp sản xuất và đời sống xã hội của con người. Hơn thế nữa, việc sản xuất nguồn điện năng ngày nay, người ta còn đặc biệt chú trọng đến môi trường. Trong khi các nhà máy thuỷ điện không hoạt động hết công suất của mình thì các nhà máy nhiệt điện lại gây ra ô nhiễm môi trường và nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính. Cho nên vấn đề hàng đầu được đặt ra là phát triển xây dựng phải đảm bảo vấn đề về vệ sinh môi trường. Trên thực tế đó, cần phải tìm ra nguồn năng lượng tái sinh để thay thế. Năng lượng gió là nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận, nguồn năng lượng tái tạo không gây ô nhiễm môi trường, vì vậy chúng ta có thể tận dụng nguồn năng lượng đó để biến thành nguồn năng lượng điện phục vụ nhu cầu của con người. Việc xây dựng nhà máy điện gió góp phần đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện và tạo ra cảnh quan du lịch. Với những tiềm năng vô cùng lớn đó, việc nghiên cứu phát triển, cải tiến công nghệ chế tạo tuabin gió thực sự là vấn đề rất cần thiết. Do vậy tôi đã chọn đề tài: “ Hệ thống điện gió trục ngang một tầng cánh” Để tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên mà thiên nhiên ban tặng, đồng thời giảm bớt sử dụng năng lượng tái tạo để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. MỤC LỤC I. Tổng quan về thiết bị 1 1. Cấu tạo của Tuabin điện gió 3 2. Phân loại 17 3. Pham vi sử dụng 19 II. Sơ đồ hệ thống truyền động của thiết bị 20 1. Sơ đồ mạch điện 20 2. Sơ đồ hệ thống truyền động 21 III. Nguyên lý hoạt động 22 IV. Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ tuabin điện gió. 23 V. Lắp đặt và vận hành tuabin điện gió 24 VI. Tính toán công suất dẫn động và sản lượng điện của tuabin điện gió. 27 1. Cách xác định sản lượng điện của một tuabin 27 2. Vận tốc gió và độ cao cột gió 31 3. Tần suất (số lần lặp lại) của vận tốc gió 31 4. Lập phương trung bình của vận tốc gió 32 5. Tốc độ gió tối đa 32 6. Hướng gió 33 7. Công suất của gió và của tua bin gió 34 8. Chiều cao của cột tua bin (cột gió) 35 9. Góc thổi của gió 36 10. Thượng nguồn so với hạ lưu 37 VII. Các lỗi và biện pháp khắc phục. 37 1) Hiệu Suất Thấp: 37 2) Tiếng Ồn Lớn: 37 3) Nhiệt Độ Hoạt Động Cao: 37 4) Mất Hiệu Suất Do Quá Tải: 38 5) Dao Động Tần Số: 38 6) Lỗi Điều Khiển: 38 7) Mất Cân Bằng: 38 8) Tua bin không quay 38 9) Lưu ý an toàn 38 I.Tổng quan về thiết bị Hình 1 Tuabin điện gió Tuabin gió hay các cối xay gió xuất hiện đầu tiên ở Anh và Mỹ từ những năm 1887 và 1888 sau đó lan rộng ra khắp thế giới về việc chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Tuy nhiên, Đan Mạch mới là quốc gia sản xuất năng lượng điện gió hiện đại đầu tiên. Đan Mạch được gọi là quê hương của các trục điện gió. Xu thế phát triển năng lượng điện gió đang trở thành trào lưu của nhiều quốc gia trên thế giới nhất là các nước phát triển và những nền kinh tế tiêu thụ nhiều năng lượng. Kinh nghiệm thực tiễn của Đức, Ấn Độ, Trung Quốc sẽ là bài học cho phát triển điện gió ở Việt Nam. Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng gió. Theo báo cáo của Viện Năng lượng thì tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tập trung nhiều nhất tại vùng duyên hải miền Trung, miền Nam, Tây Nguyên và các đảo. Đánh giá của Ngân hàng thế giới (WB) cũng cho thấy khoảng 8% lãnh thổ của Việt Nam có tiền năng về năng lượng gió, cao hơn hẳn so với các nước trong khu vực. Hiện tại, Việt Nam có tất cả 20 dự án điện 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. Việc nghiên cứu triển khai năng lượng gió ở Việt Nam đã đi những bước đầu tiên. Nhưng về 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. Với xu thế phát triển những nguồn năng lượng “xanh” vì một tương lai “xanh” của Việt Nam và của toàn nhân loại, việc nghiên cứu tiềm năng của các khu vực và tính toán lựa chọn các thông số kỹ thuật của Tuabin gió cho phù hợp để xây dựng Nhà máy Điện gió tại các vùng có tiềm năng gió là rất cần thiết. * Tuabin điện gió là gì? - Tuabin điện gió được hiểu đơn giản là một thiết bị cơ khí có cấu tạo tương đôi đơn giản, thực hiện chức năng mượn sức gió để biến đổi động năng thành cơ năng và cuối cùng là thành điện năng để cung cấp điện cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt. * Thị trường điện gió Việt Nam - Việt Nam có nguồn tài nguyên gió rất dồi dào và nhiều nhất Đông Nam Á. Từ những yếu tố này Nhà nước Việt Nam đã có chính sách phát triển nguồn năng lượng gió và chính phủ đã phê duyệt chiến lược Phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2050 với mục tiêu tăng tỉ lệ năng lượng tái tạo lên 5% vào năm 2020 và 11% vào năm 2050. - Tháng 7 năm 2011, Nhà nước đã thông qua quyết định đầu tiên về giá thu mua cho điện năng sạch hoặc điện năng tái tạo (FIT - Feed-in tariff). Việc thanh tóan được thực hiện trực tiếp với Công ty Điện Lực Việt Nam EVN với giá mua điện là 7,8 US ct/kWh. Ngòai ra thuế nhập thiết bị hoặc tiền sử dụng đất cho công trình cũng được ưu đãi. - Hiện nay một số công trình xây dựng cánh đồng điện gió đã và đang được tiến hành tại Việt Nam, điển hình là: - Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận do công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư với công suất 120MW gồm 80 Tua- bin điện gió Fuhrländer 1,5 MW. Giai đọan I đã hoàn thành vào năm 2011 với 20 Tua-bin. - Cánh đồng điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng-Thương mại - Du lịch Công Lý đầu tư với công suất 99 MW gồm 80 Tua-bin điện gió GE Energy 1,5 MW và đã được chính thức khởi công vào tháng 11 năm 2011. - Song song đó nhiều dự án xây dựng cánh đồng điện gió khác đang trong quá trình làm kế họach hoặc đang tiến hành xin giấy phép để triển khai, điển hình là những dự án: - Cánh đồng điện gió Phước Dân - Tỉnh Ninh Thuận do Công ty Cổ phần Năng lượng Thương Tín đầu tư với công suất 50 MW. - Cánh đồng điện gió Mẫu Sơn - Tỉnh Lạng Sơn do Avantis-Energy CHLB Đức liên doanh đầu tư với công suất 160 MW. - Cánh đồng điện gió Ninh Hải - Tỉnh Ninh Thuận do Công ty Phong điện Thuận Bình đầu tư với công suất 50 - 70 MW. 1.Cấu tạo của Tuabin điện gió Cấu tạo của tuabin điện gió gồm có 6 bộ phận chính là: Tháp, Nền, Nacelle, Rotor & cánh quạt, Hub, Máy biến áp và các bộ phận khác cấu thành nên 1 tuabin gió hoàn chỉnh. Hình 1.1 Cấu tạo của tuabin điện gió 1.1 Tháp - Tháp có chức năng hấp thụ tải trọng tĩnh lớn (do sức mạnh của gió tác động) và chịu trọng lượng trực tiếp của nacelle cùng cánh quạt. Bởi vậy tháp có cấu trúc hình ống bằng thép hoặc bê tông, đối với một số trường hợp đặc biệt tháp có cấu trúc dạng lưới. Khả năng chịu tải của tháp máy phát tubin gió là rất cao vì nacelle thường nặng đến vài trăm tấn, cùng với ứng suất từ lực gió và cánh quạt. - Đối với một dự án thì tháp máy phát tuabin chiếm 15% - 20% chi phí và cũng chính là bộ phận đem lại kinh tế cho dự án nhất. Độ cao của máy phát tuabin gió sẽ phụ thuộc vào một số chi tiết như chi phí, công việc cần giải quyết,... - Các loại tháp tuabin gió: Các loại tháp sau đây đều có thể được triển khai. Tuy nhiên, tháp bê tông và thép là phổ biến hơn tháp lưới thép: + Tháp thép: Thường bao gồm hai đến bốn phân đoạn. Các tháp bê tông với ván khuôn leo: được xây dựng tại chỗ và giúp vận chuyển và lắp đặt dễ dàng hơn (được gọi là bê tông đổ tại chỗ). Nhưng phải hết sức cẩn thận khi ở độ cao đáng kể và vào mùa đông. + Tháp bê tông đúc sẵn: Ở đây các phân đoạn được đặt chồng lên nhau tại chỗ và được giằng bằng cáp thép trong tường. + Tháp lưới thép: Rất phổ biến ở Ấn Độ, nhưng cũng có thể được tìm thấy ở các nước khác, như ở Mỹ (các nhà máy phương Tây) và ở Đức. + Tháp lai: bao gồm các thành phần của các loại tháp nói trên. + Trụ với gia cố dây: Rất phổ biến trong các máy phát điện gió nhỏ, vì một mặt chúng nhẹ và mặt khác có thể được thiết lập mà không cần cần trục. Các tháp cao hơn 80m thường có thang máy ở bên trong tháp để thuận tiện cho việc đi lên. Hình 1.1.1 Các loại tháp tuabin gió - Một số ví dụ về độ cao của tháp:  Chiều cao trung tâm xấp xỉ 40-65m: Công suất đánh giá xấp xỉ 600. Đường kính rotor 40 đến 65m.  Chiều cao trung tâm: 120 đến 130 Công suất đánh giá xấp xỉ 4,5 đến 6. Đường kính rotor từ 112 đến 126m. 1.2 Nền - Để đảm bảo sự chắc chắn cho tuabin gió chúng ta sẽ sử dụng móng cọc hoặc nền phẳng (việc quyết định sẽ dựa vào độ kiên cố của nền bên dưới). Chính nền sẽ giúp neo tuabin gió với mặt đất. Phần nền sẽ có chức năng cố định máy phát điện gió vào lòng đất nhằm ổn định máy phát điện gió, móng cọc hoặc móng nông: - Móng tấm/ móng nông : Phần móng này được tạo thành từ tấm bê tông cốt thép lớn nằm dưới lòng đất, đây cũng là loại nền được sử dụng phổ biến hiện nay. - Móng cọc: Là móng này được cố định bằng cọc vào trong lòng đất (thích hợp ở những nơi có đất nền mềm). Hình 1.1.2 Quá trình xây dựng nền (móng) tuabin điện gió Hướng Tân – Tân Linh - Các nền móng sau đây được sử dụng ngoài khơi (offshore). Hiện tại, rất nhiều nghiên cứu vẫn đang được thực hiện và thử nghiệm. * Đối với một số tuabin gió được lắp đặt ở ngoài khơi thì được sử dụng các loại móng nền sau đây: - Gravity foundations (móng trọng lực): Được đặt ở dưới đáy biển, sở hữu trọng lượng bê tông cực lớn và ổn định, không cần phải cố định thêm gì ở dưới đáy biển. - Tripod: Sẽ có giá ba chân để đỡ máy tuabin điện gió, các cọc được kết nối với nhau bằng một khung thép để lực được phân phối đều ở cả 3 cọc (mỗi cọc đều được cố định dưới đáy biển sâu 10 – 20m). - Bucket foundation (móng xô): Sẽ có một hình trụ bằng thép mở về hướng phía dưới, xi lanh được đặt dưới đáy biển và rồi được bơm ra ngoài, chính áp lực âm lực sinh ra từ trong móng ép xuống đất. Và cũng chính những vật liệu ở đáy bên trong của hình trụ sẽ thực hiện hỗ trợ nền móng, cố định nó vào đáy biển. - Monopile: Móng nền này là một cột buồm, cọc thép có đường kính khoảng 4m dìm trong đáy biển, dựa vào mực nước biển mà có sự điều chỉnh độ sâu thích hợp. Hình 1.2 Các kiểu lắp đặt móng cọc 1.3 Rotor & cánh quạt - Rotor Hình 1.3.1 Rotor Roto được biết là thành phần đi liền với các cánh quạt và cùng tạo ra sự chuyển đổi năng lượng gió thành chuyển động cơ học để tạo ra điện. Hiện nay thì rotor ba cánh quạt trục ngang phổ biến nhất, các cánh quạt thường có cấu tạo từ sợi thủy tinh hoặc sợi carbon gia cường nhựa. Thiết kế của các cánh quạt tương tự như của cánh máy bay, sử dụng chung nguyên tắc nâng: Phần ở dưới của cánh quạt gió đi qua sẽ làm không khí tạo ra áp suất cao hơn, phần phía trên sẽ tạo ra lực kéo, chính những lực này sẽ làm cho rotor quay. - Cánh quạt Là bộ phận vô cùng quan trọng trên rotor và của tuabin gió. Sẽ có những yêu cầu cụ thể khác nhau cho từng cánh quạt và chúng sẽ phải chịu trọng tải lớn. Cánh quạt quay lấy năng lượng từ gió bằng cách “bắt” gió và chuyển đổi động năng thành chuyển động quay của hub. Hình dạng tương tự như của cánh máy bay. Cánh quạt rotor sử dụng nguyên tắc “nâng” tương tự với nguyên lý của máy bay: bên dưới cánh, luồng không khí tạo ra quá áp; phía trên cánh là chân không. Các lực này làm cho rotor quay. Hình 1.3.2 Hình ảnh cánh tuabin gió 1.4 Hệ thống truyền động của Nacelle Hình 1.4 Hệ thống truyền động của Nacelle - Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển. - Cánh quạt (Blades): Đặc điểm chính của tuabin gió là các cánh quạt. Hầu hết có ba, mặc dù một số thiết kế chỉ yêu cầu hai cánh. Các cánh quạt có hình dạng giống như cánh máy bay, giống như cánh của máy bay. Thiết kế khí động học này tạo ra lực nâng nhiều hơn lực cản, khiến các cánh quạt quay. Kể từ khi các cánh quay, chúng hứng chịu gió một cách tương đối. Mặc dù gió vuông góc với các cánh quạt, đầu trên của cánh gió chịu nhiều gió nhất. Vì vậy, các nhà thiết kế nghiêng các cánh quạt theo hướng tương đối của gió để tối đa hóa hiệu quả. Tốc độ và hướng gió tương đối thay đổi một chút đi từ gốc của lưỡi đến đầu ngọn. Các cánh hiệu quả nhất có một chút xoắn để tận dụng hiệu ứng này. Các cánh được gắn vào một trung tâm hình nón. Cùng với nhau, các cánh quạt và trục tạo thành rôto quay theo chiều gió. - Bộ hãm (Brakes): Công suất gió của tuabin cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh làm hỏng hệ thống. Trạm kiểm soát điện gồm 2 phần chính là: + Chế độ dừng - Stall Control: Khi gió quá mạnh, tuabin gió sẽ hạn chế tự động phát điện, hạn chế tốc độ của hệ thống khiến cho các cánh quạt không thể quay nhanh hơn. + Chế độ kiểm soát cường độ - Pitch Control: Mỗi cánh quạt riêng lẻ có thể bật/tắt với gió. Pitch control sẽ được cấu tạo khác nhau với từng hệ thống: công suất dưới 100kW Pitch control là cơ khí, công suất từ 300kW Pitch control là thủy lực, công suất >500kW là thủy lực hoặc điện - Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 2m/s đến 3m/s và tắt động cơ khoảng 25m/s bởi vì các máy phát này có thể phát nóng - Hộp số (Gear box): Phải là bộ tăng tốc và đây là bộ phận dùng để kết nối chuyển động quay từ rotor với máy phát điện để chuyển đổi tốc độ, tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền(chiếm gần 75% toàn hệ thống tuabin), nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió. - Máy phát (Generator) Hình 1.4.1 Máy phát điện của tuabin gió + Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học của rotor thành năng lượng điện. Ở các tua bin thường sử dụng các máy phát đồng bộ lẫn máy phát không đồng bộ. Đối với các tua bin cỡ công suất từ vài trăm kW tới vài MW thông thường phát dòng điện 3 pha AC với điện áp từ 400V đến 1000V. + Đối với tuabin gió công suất lớn, máy phát điện không đồng bộ cấp nguồn kép được sử dụng thường xuyên nhất. Ở đây, tốc độ quay hoạt động có thể thay đổi đôi chút, không giống như khi sử dụng máy phát điện không đồng bộ thông thường. Một khái niệm khác sử dụng máy phát điện đồng bộ. Kết nối lưới của máy phát điện đồng bộ chỉ có thể thực hiện được thông qua máy biến áp, do quay cố định. Nhược điểm của việc yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp được khắc phục bằng hiệu quả tổng thể và khả năng tương thích lưới điện tốt hơn. + Nhìn chung, người ta phân biệt rõ giữa máy phát điện không đồng bộ và máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện không đồng bộ được sử dụng thường xuyên nhất; chúng cho phép đồng bộ hóa với lưới điện và rất mạnh mẽ và ít bảo trì. Tuy nhiên, máy phát điện đồng bộ cũng được sử dụng vì chúng hiệu quả hơn. Máy phát điện đồng bộ có thể được kết nối trực tiếp với lưới điện, hoặc có thể sử dụng biến tần. Không có yêu cầu thiết bị bổ sung để đồng bộ với lưới điện. Tất cả các máy phát điện phải được làm mát. Thông thường, quạt thông gió được sử dụng để làm mát không khí. Đôi khi, làm mát bằng nước cũng được sử dụng + Ngoài ra còn có máy phát vòng nhiều cực chạy chậm không có hộp số đã được nói ở trên. - Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao (High-speed shaft): Có tác dụng truyền động máy phát điện. - Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft): Trục này nối với hệ thống truyền động làm tăng tốc độ của máy phát thông qua hộp số - Vỏ (Nacelle): Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: hộp số, trục truyền động tốc độ cao và thấp, máy phát, bộ điều khiển và bộ hãm. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc. - Bước răng (Pitch): Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện - Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.Hiện nay rotor 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi trên thế giới, điều này do các yếu tố sau đây: + Hiệu suất: Hiệu suất cao hơn các loại khác đối với vận tốc gió từ 6m/s đến 8m/s.+ Về lý thuyết thì hiệu suất tăng lên cùng với số cánh quạt. Nếu như tăng số cánh quạt từ 2 lên 3 thì hiệu suất sẽ tăng lên vào khoảng 3% đến 4%. Tuy nhiên nếu tăng số cánh quạt lên 4 thì hiệu suất chỉ tăng thêm từ 1% đến 2%. + Đối với các đặc tính về tải cũng như khí động học của các loại tua bin có 3 cánh quạt thì các thiết bị này có một sự phân bố đồng đều hơn về trọng lực cũng như lực khí động học trên toàn bộ chu vi của rotor. + Cánh quạt của một tua bin có công suất từ 1MW đến 2,5MW thường có chiều dài 25m đến 65m. Các cánh quạt này ở mỗi vòng quay sẽ chịu những tải trọng rất khác nhau phụ thuộc vào vận tốc gió. Cánh quạt được làm từ nhựa tổng hợp với sợi thuỷ tinh hoặc sợi carbon, chịu lực tốt. + Cấu trúc của cánh quạt cho tua bin gió có 2 loại: stall (cố định) và Pitch (điều khiển xoay góc hứng gió )·Loại Stall thường thiết kế cho các tua bin công suất thấp ( ≤ 300 kW)·Loại Pitch thiết kế cho các tua bin có công suất cao hơn ( ≥ 500 kW) Pitch kiểu motor Pitch kiểu xilanh + Điều khiển cánh quạt: Đốivới các Rotor có cánh quạt điều khiển theo kiểu “Pitch“ thì vị trí của các cánh quạt có thể được điều khiển nhờ vào một động cơ điện ở trục quay. Bộ điều khiển điện tử sẽ đo thường xuyên công suất đầu ra của thiết bị ở một tải trọng danh nghĩa. Nếu như giá trị đo quá cao hoặc quá thấp thì các cánh quạt sẽ được điều khiển quay hướng vào hoặc hướng ra khỏi hướng gió một cách tương ứng (Tốc độ điều chỉnh góc của cánh là 50/s ). + Thông qua việc điều chỉnh cánh quạt này có thể đảm bảo được rằng các cánh quạt luôn nằm ở một góc đúng đắn hợp lý nhất và do đó có thể đạt được một sự tối ưu về lượng điện năng tạo ra. + Khi vận tốc gió vượt giới hạn theo thiết kế thì bộ phận điều khiển cánh tự động điều chỉnh góc của cánh trở về bằng 90°(song song với hướng gió) đồng thời kết hợp với hệ thống phanh để rotor ngừng quay. Rotor sẽ tự động ngừng quay với 2 mức: Nếu vận tốc gió tăng lên khoảng 25 m/s không quá 10 phút hoặc 35 m/s không quá 2 giây. - Trụ đỡ (Tower): Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn Hình 1.4.2 Trục đỡ tuabin (Tower) - Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tua-bin gió. Hình 1.4.3 Cấu tạo wind vane - Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió. - Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió. 1.5 Hub trung tâm - Hub là tâm của rotor mà các cánh rotor được gắn vào. Gang hoặc thép đúc được sử dụng cho bộ phận này. Hub (hay trung tâm) hướng năng lượng từ các cánh rotor vào máy phát điện. Nếu tuabin gió có hộp số, hub được kết nối với trục hộp số quay chậm, chuyển đổi năng lượng từ gió thành năng lượng quay. Nếu tuabin có bộ truyền động trực tiếp, hub sẽ truyền năng lượng trực tiếp đến máy phát vòng. Bên trong 1 hub của tuabin điện gió - Cánh rotor có thể được gắn vào hub theo nhiều cách khác nhau: ở một vị trí cố định, có khớp nối hoặc như một con lắc. Loại thứ hai là một phiên bản đặc biệt của rotor hai cánh, xoay như một con lắc được neo vào trung tâm. - Hầu hết các nhà sản xuất hiện sử dụng một hub cố định. Nó đã được chứng minh là chắc chắn, giảm số lượng các thành phần di chuyển có thể bị hỏng và tương đối dễ dàng để xây dựng. 1.6 Khớp nối và phanh - Khớp nối: Do có momen xoắn rất lớn nên khớp nối giữa trục chính và bộ truyền lực là một khối cứng. Loại phanh phụ thuộc vào cơ cấu điều khiển các cánh quạt. - Phanh: Có hai loại phanh trong tuabin gió là phanh khí động học và phanh cơ khí + Phanh khí động học là phần điều chỉnh một phần lưỡi cắt gió hoặc điều chỉnh toàn bộ cánh quạt để dừng khi sự cố. + Phanh cơ khí là hệ thống phanh đĩa cơ. Loại này thường được dùng khi phanh khí động học bị hỏng hoặc khi dừng để sửa chữa các phần liên quan trong Nacelle. Nó phụ thuộc vào cách điều khiển công suất của tuabin. 1.7 Máy biến áp - Hệ thống cấp điện vào lưới phụ thuộc vào máy phát điện được sử dụng: phần lớn các máy phát điện gió hiện đại loại megawatt sử dụng máy phát điện cảm ứng không đồng bộ nối lưới chạy với tốc độ gần như không đổi và đấu nối trực tiếp vào lưới điện. Điều này có nghĩa là bộ chỉnh lưu hoặc bộ biến tần là không cần thiết. - Trong tuabin biến thiên tốc độ với máy phát điện đồng bộ, dòng điện xoay chiều được tạo ra biến động không ngừng về tần số và số lượng. Để điện năng đưa vào lưới, nó được biến đổi thành dòng điện một chiều bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu, được lọc và sau đó chuyển đổi trở lại thành dòng điện xoay chiều bằng cách sử dụng biến tần. 1.8 Một số hệ thống khác a.Trạm kiểm soạt điện - Công suất mà tuabin gió hấp thụ phải được kiểm soát. Nếu gió quá mạnh, công suất sẽ được giảm để tránh làm hỏng hệ thống. Về cơ bản có hai phần quan trọng của 1 trạm kiểm soát điện: Stall control (Chế độ dừng): Các cánh rotor với stall control được gắn vào trung tâm ở một góc cố định. Hình dạng của cánh rotor được thiết kế để gây ra sự nhiễu loạn (điện động lực) phía sau cánh rotor với một vận tốc gió cụ thể. Đồng thời, khi gió quá mạnh, máy phát điện không đồng bộ cũng hạn chế tự động phát điện. Nó hạn chế tốc độ của hệ thống ở tần số của lưới điện, do đó cánh quạt không thể quay nhanh hơn khi gió thổi mạnh hơn. Các cánh quạt được thiết kế để gây ra sự phân tách dòng ở một vận tốc gió nhất định (được gọi là stall) và làm công suất đầu vào được giảm xuống. Hệ thống điều khiển này được sử dụng chủ yếu trong các tuabin gió lớn (> 1 MW). Khi gió quá mạnh. Chế độ dừng chủ động cho phép điều chỉnh chính xác hơn so với chế độ dừng thụ động. Pitch control (chế độ kiểm soát cường độ): Khái niệm điều khiển này được phát triển từ năm 1990 đến năm 2000. Tại đây, mỗi cánh quạt riêng lẻ có thể được bật hoặc tắt với gió. Pitch control là cơ khí đối với hệ thống có công suất dưới 100 kW, thủy lực với từ 300 kW hoặc điện cũng là loại phổ biến nhất, đặc biệt đối với tuabin lớn> 500 kW. Một bộ điều khiển liên tục giám sát sản lượng điện của tuabin. Nếu gió quá mạnh, các cánh quạt sẽ quay dọc theo trục của chúng, thường chỉ bằng một phần nhỏ của mức độ. Điều này làm giảm lực nâng, do đó cánh quạt tiếp tục tạo ra công suất ở công suất định mức ngay cả ở tốc độ gió lớn. b. Hệ thống làm mát - Nhiệt độ bên trong một nacelle có thể khá cao do nhiệt thải từ hộp số và máy phát điện. Do đó, các quạt thông gió đặc biệt được lắp đặt trong ống gió để giữ cho nó mát mẻ. Ngoài ra, thường có các bộ làm mát đặc biệt cho các bộ phận riêng lẻ của tuabin gió, chẳng hạn như hộp số. c. Hệ thống sưởi ấm - Trong mùa đông, nhiệt độ thường xuống dưới mức đóng băng nơi các tuabin gió được thiết lập. Khi dầu trong hộp số bị đóng băng, rất khó để hệ thống hoạt động trở lại sau một thời gian bất động. Vì vậy, máy sưởi thường được sử dụng để làm nóng dầu trong hộp số. - Ngoài ra, các cánh quạt cũng được làm nóng để tránh làm chúng bị đóng băng hoặc bị hỏng do nước ngưng tụ. - Cuối cùng, các máy đo gió và cánh gạt thời tiết cũng phải được làm nóng ở các vùng lạnh để tránh chúng bị trục trặc và làm hỏng tuabin. d. Thiết bị chống sét Hình 1.8 Thiết bị chống sét trên tuabin gió - Tua bin gió là các cấu trúc cao thường lộ ra ngoài và do đó dễ bị sét đánh vào các đầu của cánh quạt. Các giải pháp sau được triển khai để chống sét đánh: Đĩa kim loại tròn được gọi là đĩa hút sét “receptors” ở đầu cánh quạt điện gió. Nhiều receptor được lắp đặt dọc theo các cánh quạt. Đầu lưỡi nhôm. Lắp đặt bện kim loại trên các nan phủ GRP. Tháp kim loại. Tủ thiết bị đóng cắt bằng kim loại. Tủ điều khiển bằng kim loại. Dòng điện sét mang cáp kết nối được che chắn (ống dẫn cáp kim loại, ống được bảo vệ hoặc tương tự). Cáp che chắn Sau đó, dòng điện được truyền dọc theo bên trong cánh quạt dọc theo các dây dẫn kim loại và sau đó đi qua ống nano trước khi được dẫn xuống tháp tới mỏ neo trên mặt đất. Đặc biệt những vùng dễ bị sét đánh cần tránh xa. e. Cần trục và thang máy - Hầu hết các tuabin gió đều có các thiết bị để vận chuyển các phụ tùng và công cụ nhỏ vào bên trong nacelle. Bên trong nacelle, cần trục xoay và cần trục giàn được sử dụng. f. Bình chữa cháy - Các bình chữa cháy cũng được cung cấp trong các tuabin gió để chống lại bất kỳ đám cháy nào có thể xảy ra trong phần cứng hoặc thiết bị điện tử. Thông thường, các bình chữa cháy là bình thủ công, nhưng hệ thống phát hiện và dập lửa tự động cũng được sử dụng. 2.Phân loại * Tuabin gió hiện nay có 2 loại chính: – Tua bin gió trục ngang: Như tên gọi của nó, người tiêu dùng phải gắn tuabin gió với trục ngang để thu được năng lượng. Tuabin gió loại này có hiệu suất cao hơn tuabin gió trục đứng, đây là loại tuabin gió hiệu quả nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng. Nó được thiết lập trên cao trên các tháp lớn để tận dụng tốc độ gió ở độ cao lớn. Mặc dù điều này mang lại hiệu quả tốt hơn nhưng lại gây khó khăn cho việc sửa chữa + Tua-bin điện gió ba cánh được sử dụng rộng rãi nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên họat động ổn định hơn Tua-bin điện gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3-4% so với Tua-bin điện gió hai cánh, ngòai ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế được những ảnh hưởng cơ của những chi tiết khác trong Tua-bin. + Việc nâng số cánh quạt của Tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt được công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so với Tua-bin điện gió ba cánh nên những Tua-bin loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế. – Tuabin gió trục đứng: giống như máy bay trực thăng, Tuabin trục đứng được đánh giá là không ổn định. Nếu tuabin này lắp đặt ở vị trí địa hình thấp thì lượng điện cũng tạo ra yếu. Tuabin gió trục đứng không cần dùng bộ phận điều chỉnh hướng quạt do nó có thể tự quay dù gió đến từ hướng nào. Một ưu điểm khác của tuabin gió trục đứng là có thể lắp đặt ở nơi chật hẹp như các khu đông dân cư. Tuabin gió trục đứng có tuổi thọ cao hơn tuabin gió trục ngang. Hình 2 Các kiểu tuabin gió trục đứng -Ngoài ra còn có tua in gió 2 tầng cánh (đang phát triển) 3.Pham vi sử dụng - Dãy công suất tua-bin gió từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài MW thường được tập hợp thành một nhóm những tua-bin với nhau trong một trại gió (Nhà máy điện gió) và nó sẽ cung cấp điện năng cho lưới điện. Các tua-bin gió loại nhỏ có công suất dưới 50 kW được sử dụng cho gia đình. Viễn thông hoặc bơm nước,đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diesel, pin và hệ thống quang điện. Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùngxa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này. II.Sơ đồ hệ thống truyền động của thiết bị 1. Sơ đồ mạch điện - Công dụng của kí hiệu trong sơ đồ mạch điện: Chỉnh lưu biến đổi điện áp từ AC thành DC Nghịch lưu biến đổi điện áp từ DC thành AC Tăng công suất điện áp đầu ra mong muốn đạt được Máy cắt đồng bộ được sử dụng để duy trì sự đồng bộ hóa tần số hoặc pha giữa các nguồn điện hoặc tải điện Tỷ số tốc độ chuẩn (TSR) Đây là một đại lượng quan trọng trong thiết kế turbine gió và được tính bằng cách chia tốc độ đầu cánh của cánh quạt cho tốc độ gió đến. Tỷ số TSR quyết định hiệu suất của turbine gió, giúp tối ưu hóa công suất đầu ra. 2. Sơ đồ hệ thống truyền động - Khi có gió Wind vane (9. Đo lường gió) nhận tín hiệu và truyền đến Yaw motor (12.Động cơ truyền động hướng) để giữ cho Rotor (2) luôn hướng về hướng gió chính thông qua Yaw drive (14.Truyền động hướng). Gió thổi làm cho cánh quạt quay (1) nhờ Pitch (3.Bộ phận điều chỉnh cánh) giúp tuabin điều chỉnh góc nghiêng của cánh để hứng gió và làm cho Rotor (2) quay và trục tốc độ thấp quay (4) dẫn đến trục tốc độ cao quay (11) nhờ sự ăn khớp bánh răng thông qua hộp số (5). Trục tốc độ cao quay kéo theo rotor, máy phát tạo ra dòng điện. - Ngoài ra Turbin gió còn có bộ điều khiển tốc độ quay(7) + Khi tốc độ gió từ 15 - 25 m/s, bộ điều khiển tốc độ quay của turbin hoạt động (8) + Khi tốc độ vượt quá 25m/s thì turbin sẽ được giảm tốc độ quay nhờ phanh (15) để hãm lại giúp động cơ làm việc quá công suất và cháy nổ. III. Nguyên lý hoạt động - Các tuabin (Turbine) gió nhờ vào lực đẩy khí động học tương tự như cánh máy bay, hay trực thăng. Khi gió thổi qua các cánh, áp suất của một bên cánh giảm. Sự chênh lệch áp suất hai bên cánh quạt làm cho cánh quạt xuất hiện hai lực là lực kéo và nâng. Lực nâng cao mạnh hơn so với lực kéo và đây là nguyên nhân làm quay roto của tuabin. Roto được kết nối với máy phát trực tiếp thông qua trục hoặc qua hộp số. Roto quay từ đó cũng làm máy phát tạo ra điện. Như vậy, từ phong năng, tuabin gió biến đổi thành cơ năng và làm cho máy phát tuabin quay sinh ra điện năng. Điện năng sinh ra có dạng 2 chiều 3 pha. Để điện năng đưa vào lưới, nó được biến đổi thành dòng điện một chiều bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu, được lọc và sau đó chuyển đổi trở lại thành dòng điện xoay chiều bằng cách sử dụng biến tần. - Gió là một nguồn năng lượng dao động (không liên tục) và không phù hợp để đáp ứng nhu cầu năng lượng tải cơ sở vì vậy cần sử dụng một số hình thức lưu trữ năng lượng (ví dụ: pin, bơm thủy lực) trong hệ thống. - Tuabin gió thường được đặt trên các trụ đỡ có chiều cao lớn, thông thoáng để thu được nhiều năng lượng gió nhất. Ở độ cao lớn hơn 30m (trên mặt đất) thì các tuabin có thể đón gió thuận lợi nhất, cho tốc độ quay cánh quạt nhanh hơn, đều hơn. IV. Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ tuabin điện gió. - Ứng dụng: + Động cơ tuabin điện gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc các nhu cầu điện năng khác. Chúng có thể nối tới một mạng điện lớn để phân phối mạng điện ra rộng hơn. + Tuabin điện gió có thể lắp đặt ở mức công suất từ 50 kW đến công suất lớn hơn đến vài MW (Megawatt). + Các tuabin điện gió công suất nhỏ dưới 50 kW thường được sử dụng cho hệ thống điện gió gia đình. Đặc biệt, thích hợp lắp đặt và sử dụng cho các vùng sâu vùng xa – những địa phương chưa có lưới điện. - Ưu điểm của công nghệ động cơ tuabin điện gió: Cho phép phát triển các hệ thống động cơ tuabin điện gió phù hợp với mọi nhu cầu sử dụng, điều kiện địa hình, môi trường… Tạo ra nguồn năng lượng tái tạo có lợi nhuận cao hơn. Hiệu quả kinh tế cao. Năng lượng gió bảo vệ môi trường luôn xanh. Giảm khí thải nhà kính và không gây tình trạng nhiễu xạ điện từ trường. Có khả năng lắp đặt và ứng dụng ngay cả trong các vùng địa hình phức tạp, hiểm trở như: các khu vực đồi núi, biển, hải đảo có diện tích nhỏ, nhà dân… - Nhược điểm và những hạn chế: Cạnh tranh với các nguồn điện khác do có chi phí xây dựng khá tốn kém. Trong cấu tạo tuabin gió thì xây dựng trụ, tháp hoặc đầu tư các chi tiết khác vừa tốn nhiều chi phí, thời gian khảo sát lâu hơn. Gió là nguồn năng lượng dao động có thể mạnh - yếu tùy từng điều kiện cụ thể. Các loại điện từ năng lượng mặt trời, năng lượng gió phụ thuộc rất lớn vào vị trí lắp đặt. Chúng không đáp ứng được nhu cầu năng lượng tải cơ sở mà cần sử dụng thêm các hình thức lưu trữ năng lượng khác (PIN, bơm thủy lực,...). Các tuabin gió có thể gây ra những tiếng ồn khó chịu cũng như gây mất mỹ quan cho không gian. Các nhà động vật học còn cho rằng các cánh quạt của tuabin gió khi hoạt động thực sự là mối nguy hiểm đối với các loài chim hoang dã. Chi phí lắp đặt và bảo trì khá tốn kém. V. Lắp đặt và vận hành tuabin điện gió a. Lắp đặt 1. Khảo sát thực địa - Việc lắp đặt một trang trại gió đòi hỏi phải có một cái nhìn tổng quan về địa lý để quyết định các đặc thù của mặt đất có thể ảnh hưởng đến công trình. Một kế hoạch về các yêu cầu xây dựng tại vị trí đặt tuabin, điều tra địa kỹ thuật để xác định điều kiện mặt đất và nghiên cứu nối đất để xác định thành phần của đất (cần thiết để lập kế hoạch kết nối điện). Tiếp đến là xác định vị trí của các thành phần quan trọng như tuabin, máy biến áp tuabin gió, trạm biến áp cao áp và cơ sở hạ tầng để truyền tải điện năng ở những nơi cần thiết v.v.. 2. Chuẩn bị và lắp đặt nền móng - Việc xây dựng nền móng phụ thuộc vào kích thước và loại hệ thống tuabin và ngày càng khó khăn hơn bởi thực tế là các tuabin gió hiện đại đang ngày càng cao và lớn hơn để đạt đến những luồng gió mạnh hơn, ổn định hơn. - Thời gian chuyển công đoạn là ít nhất hai tuần sau khi xây dựng xong phần móng để cho phép nền bê tông hoàn toàn vào đất. - Các kỹ sư cũng phải xem xét tất cả các yếu tố vật lý liên quan đến hoạt động và hỗ trợ thích hợp của tuabin cũng như các dao động của chính tuabin trong khi xây dựng nền móng. 3. Lắp đặt phần tháp - Phần tiếp đến được lắp đặt là tháp. Vì các tòa tháp rất cao, chúng phải được lắp đặt theo từng phần thay vì tất cả cùng một lúc. - Công đoạn này thường sử dụng các cần trục công suất cao để xây dựng tháp vì các phương tiện này cho phép lắp các bộ phận khác nhau của tháp một cách chính xác. Tùy thuộc vào kích thước của tuabin, công đoạn này có thể mất một hoặc nhiều ngày (tuỳ theo mức độ phức tạp). 4. Lắp đặt nacelle - Việc lắp nacelle là giai đoạn sau trong quá trình lắp đặt tuabin gió. Có nhiều loại nacelle khác nhau, thông thường các tính năng và kích thước của nacelle sẽ tương ứng với kích thước của tuabin gió. Nacelle có thể xoay 360 độ để đặt chính diện đối mặt với gió. 5. Lắp đặt cánh tuabin - Việc lắp đặt các cánh tuabin là giai đoạn cuối cùng trong quá trình xây dựng bất kỳ tuabin gió nào. Các cánh quạt được gắn trực tiếp vào trục và rotor để chuyển từ năng lượng gió sang điện năng. Hệ thống có khả năng căn chỉnh các cánh song song với hướng gió để dừng hoạt động (do gió quá nhiều hoặc quá ít). Các cánh quạt được đặt vuông góc với gió để bắt đầu hoạt động. - Trong các tuabin gió nhỏ, rotor sẽ được nâng lên cùng với cánh quạt. Điều này không thể được thực hiện trong các tuabin gió hiện đại lớn hơn. Hình 5 Lắp đặt cánh tuabin gió b. Vận hành - Vận hành turbine điện gió bằng cách quản lý và kiểm soát hệ thống. Điều này bao gồm theo dõi hiệu suất của turbine thông qua các hệ thống giám sát, điều chỉnh hướng của cánh quạt để tối ưu hóa bắt gió, và thực hiện bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo hoạt động ổn định. Các kỹ thuật viên cũng có thể đối phó với các sự cố và thực hiện các biện pháp sửa chữa khi cần thiết để duy trì hoạt động hiệu quả của hệ thống. VI. Tính toán công suất dẫn động và sản lượng điện của tuabin điện gió. 1.Cách xác định sản lượng điện của một tuabin - Năng lượng gió là một hàm của tốc độ và khối lượng không khí. Khi tốc độ gió cao thì năng lượng gió lớn. Mối quan hệ giữa khối lượng, tốc độ không khí và năng lượng gió được thể hiện bởi phương trình động năng - Động năng của không khí: Eg = mv2 (1) - Khối lượng của không khí được xác định bằng công thức: (2) - Mật độ không khí: - Mật độ công suất không khí - Diện tích cản gió của cánh quạt được xác định bằng công thức: F = .R2 (3) Thay (2) và (3) vào (1) ta có: (4) Trong đó: Eg – Năng lượng gió (J) m – Khối lượng của không khí (kg) v – Vận tốc của không khí ( m/s) A - Diện tích vòng quay cánh quạt - Mật độ không khí (kg/m3) (thông thường mật độ không khí lấy bằng 1.22kg/m3) t – Thời gian tính (s) T - Nhiệt độ không khí (Celsius) h - Độ cao của gió trên mực nước biển (m) F – Diện tích không khí đi qua (Diện tích cản gió của cánh quạt) (m2) R – Bán kính cánh quạt của Tuabin(m) t – Thời gian tính (s) Vậy công suất gió của một tuabin được tính theo công thức[1]: (5) Ta thấy, năng lượng tỷ lệ bậc 3 với tốc độ gió nên cần phải đặc biệt quan tâm đến vị trí đặt Tuabin để thu được tốc độ gió lớn [8] (6) V(z): Vận tốc gió ở độ cao z (m/s) V(zr): Vận tốc gió ở độ cao zr tham khảo (m/s) α: hệ số mũ, thay đổi theo độ mấp mô bề mặt (là một đại lượng đo của lực ma sát bởi gió thổi ngang qua mặt đất) [9]. - Qua đó, ta thấy việc lựa chọn vị trí và cao độ lắp đặt của Tuabin gió ảnh hưởng rất lớn đến sản lượng điện thu được. - Ngoài ra, Công suất điện thu được của một tuabin gió còn phụ thuộc vào công nghệ của tuabin, hay hệ số công suất (hiệu suất) của tuabin. Do đó công suất điện thực tế của Tuabin được xác định theo công thức: (7) - Trong đó: PR - Công suất thực tế – Hệ số công suất (Hiệu suất) của tuabin là một hàm của tỷ số tốc độ g và góc điều chỉnh cánh quạt. - Tỷ số tốc độ g được định nghĩa bởi: (8) Trong đó: w - Vận tốc gốc của cánh quạt. - Hiệu suất tổng cộng của một Tuabin = Hiệu suất Rotor x Hiệu xuất truyền động x Hiệu suất máy phát x Điều kiện về gió. [2] - Vì vậy, một Tuabin gió được thiết kế hoàn chỉnh tương đối tốt thì cũng chỉ nhận được khoảng 30% đến 40% Tổng năng lượng của tiềm năng gió. - Từ những phân tích trên ta có thể xác định được sản lượng điện trung bình trong năm: (9) Trong đó: AE (MWh/tuabin) - Sản lượng điện thực tế hằng năm trên 1 tuabin CF: Hệ số công suất T (h/năm): Số giờ vận hành trong năm P (MWh/tuabin): Sản lượng điện thực tế hằng năm trên 1 tuabin CF: Hệ số công suất T (h/năm): Số giờ vận hành trong năm * Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng điện - Sản lượng điện của một Tuabin gió phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Tỷ lệ bậc 3 với tốc độ gió + Phụ thuộc vào độ mấp mô bề mặt, hay lực ma sát của gió thổi qua mặt đất nơi lắp đặt tuabin gió + Phụ thuộc vào hệ số công suất của tuabin hay phụ thuộc vào chủng loại của tuabin (Hãng sản xuất) + Phụ thuộc vào độ cao của trụ tuabin và diện tích cản gió của cánh quạt (hay còn gọi là thông số kỹ thuật của tuabin). 2. Vận tốc gió và độ cao cột gió - Như ta đã biết, càng lên cao, không khí càng loãng (mật độ không khí càng giảm), và vận tốc gió càng tăng. Sự phân bố tốc độ gió tuân theo các qui luật về chất khí (các phân tử khí). Đối với chất khí, có hai qui luật phân bố được áp dụng từ trước đến nay, đó là qui luật Maxwell và qui luật Weibull. - Tổ chức Khí tượng Thế giới - World Meteorological Organization - WMO (hiện có 191 quốc gia là thành viên) đã chính thức công nhận (trong các tài liệu kỹ thuật của mình) sự phân bố của tốc độ gió tuân theo qui luật phân bố Maxwell (vì trên thực tế nó cho kết quả chính xác hơn Weibull).   * Ví dụ: Biết vận tốc gió ở độ cao 10m là 1,6 m/s, ta có thể tính được gần đúng: vận tốc gió ở độ cao 60m là 2,07 m/s; ở độ cao 80m- 2,15 m/s; ở độ cao 100m- 2,22 m/s; ở độ cao 120m- 2,28 m/s. 3. Tần suất (số lần lặp lại) của vận tốc gió - Điều quan trọng khi xử lý các số liệu thống kê về vận tốc gió là tần suất lặp lại của gió theo các cấp (mức độ) tăng dần của vận tốc gió. Về lý thuyết, độ chính xác/ổn định của số liệu thống kê phụ thuộc vào: độ dài của dẫy số thống kê (10, 15, 20 năm - càng dài càng chính xác), và phụ thuộc vào việc phân ra các cấp vận tốc tăng dần. Thông thường, người ta phân ra thành 6 (hoặc 7) cấp độ tăng dần của vận tốc gió (m/s) như sau: 0÷1; 2÷5; 6÷11; 12÷15; 16÷20 (hoặc 21÷24) và >21 (hoặc >25). - Việc phân mức độ cần tính đến độ chính xác của các số liệu thống kê thu được của các chong chóng gió thời tiết ở các trạm khí tượng. Tần suất (sự lặp lại) của gió được biểu thị bằng số lượng các trường hợp tính bằng phần trăm, và được thống kê riêng biệt cho mỗi mùa. - Phân bố vận tốc gió là bất đối xứng, do đó, vận tốc gió phân bố trên một diện tích hứng gió được xác dựa trên các thông số thống kê cơ bản như: độ lệch chuẩn - độ lệch trung bình, độ lệch bậc 2 (standard deviation), hệ số biến đổi (coefficient of variation) và hệ số bất đối xứng (coefficient of asymmetry) v.v... 4. Lập phương trung bình của vận tốc gió     - Lưu ý: Phần lớn các động cơ được thiết kế với tốc độ gió từ nhỏ nhất để đưa tua bin vào hoạt động (cut-in wind speed), thường là 3m/s đến tốc độ gió lớn nhất phải dừng hoạt động của tua bin (cut-out wind speed) thường là 25m/s.  5. Tốc độ gió tối đa - Tốc độ gió tối đa là đặc tính quan trọng của gió để đánh giá nguy cơ gẫy tua bin gió khi tính độ bền của tua bin gió. Vì nhiều nguyên nhân, trong đó, quan trọng nhất là do đặc tính thiết kế cánh gió của con quay đo gió, việc có được các số liệu thống kê tin cậy về tốc độ gió tối đa là rất khó. Vì vậy, trong thời gian gần đây, tốc độ gió tối đa thường được xác định bằng phương pháp tính toán (ngoại suy). Bản chất của phương pháp tính này là sự phân bố về tốc độ gió (thu được qua các số liệu khí tượng) mang tính thống kê/kinh nghiệm (empirical distribution) có thể được xác định gần đúng bằng một phương trình phân bố nào đó. Vì vậy, bằng phương trình đó, người ta có thể xác định được tốc độ gió tối đa. * Lưu ý: Trong hộ chiếu của một số tua bin gió có đưa ra tốc độ gió tối đa mà tua bin gió có thể không bị đổ/gẫy (survival wind speed/tipspedd), thông thường là 50m/s đối với các tháp gió cao, và 60m/s đối với tháp gió thấp. 6. Hướng gió - Trong thực tế, để chuyển đổi hướng gió từ sơ đồ 16 hướng thành sơ đồ 8 hướng, người ta áp dụng các công thức (các giả định) sau: Bắc + Bắc Đông Bắc = Bắc. Đông Bắc + Bắc Đông Bắc = Đông Bắc. Đông + Nam Đông Nam = Đông v.v... * Lưu ý: trong xác định tốc độ gió và hướng gió, chỉ số thống kê về biên độ (R) cũng thường được sử dụng. Chỉ số này cho biết mức độ ổn định của các hướng gió. Nếu chỉ số này tiến tới giá trị 0 (R =>0), hướng gió được coi là ổn định, nếu R=>max, hướng gió - không ổn định. => Tóm lại: các chỉ số chủ yếu về khí tượng có ảnh hưởng quyết định đến việc khai thác/sử dụng năng lượng gió gồm: 1/ Các thông số về phân bố tốc độ gió; tốc độ gió tối đa; và trung bình lập phương của tốc độ gió. Khi xem xét sự phân bố của tốc độ gió, cần đặc biệt chú ý đến sự lặp lại và số lần lặp lại của tốc độ gió bằng 0 và tốc độ gió nhỏ (để xác định thời gian không phát điện của tua bin), cũng như sự lặp lại và số lần lặp lại của các tốc độ gió nguy hiểm (>21m/s hoặc >25m/s) để xác định nguy cơ bị gẫy của tua bin gió. 2/ Hướng gió trong sơ đồ mạng gió 8 hướng (hoặc 16 hướng), độ lặp lại của hướng gió và phân bố trong cả năm trên diện tích khảo sát. Việc thống kê các chỉ số này là rất cần thiết để đánh giá chế độ làm việc của tua bin gió. 7. Công suất của gió và của tua bin gió - Áp lực của gió (F) lên các cánh quạt của tua bin được xác định bằng công thức: Hình 7 Biểu đồ nhiệt độ không khí 8. Chiều cao của cột tua bin (cột gió) - Lỗi kỹ thuật có thể xẩy ra khi xác định chiều cao (so với mặt đất) của cột gió (chiều cao đặt tua bin). Khi tua bin gió được đặt ở độ cao thấp hơn mức cần thiết (đây là lỗi thường gặp) cũng tương tự như các tấm PV của điện mặt trời được đặ trong bóng râm. - Như trên đã nêu, khi chiều cao tăng, vận tốc gió tăng và độ quẩn (tính nhiễu loại/turbulence) của gió giảm. - Tùy thuộc vào địa hình cụ thể, căn cứ vào chiều cao H của các vật cản (lồi/lõm của mặt đất, chiều cao của nhà/công trình xây dựng, cây/rừng v.v...), sự chuyển động của không khí (gió) sẽ bị nhiễu loạn ở một độ cao nhất định so với mặt đất (khoảng 2H). Vì vậy, tua bin gió phải được đặt ở độ cao lớn hơn 2H, như trong sơ đồ minh họa (không theo tỷ lệ) sau: - Theo sơ đồ trên, gió quẩn sẽ xẩy ra ở độ cao thấp hơn 2 lần và trong giới hạn lớn hơn 20 lần so với chiều cao của vật cản.   - Lưu ý: tháp/cột tua bin càng cao, chi phí xây dựng cột càng tăng, nhưng chi phí tăng thêm này sẽ được hoàn rất nhanh nhờ tăng được vận tốc của gió. - Ngoài ra, cột tua bin cần đặt xa các vách đá dốc, hoặc các vị trí có độ cao thay đổi đột ngột tối thiểu 300m. 9. Góc thổi của gió - Góc thổi (α) của gió (угол атаки/attack angle) là góc giữa hướng của véc tơ dòng chảy của khí (hoặc gió) và hướng đặc tính (thiết kế) theo chiều dọc của cánh quạt (hay cánh máy bay) được biểu thị trong sơ đồ sau: Hình 9 Góc thổi của gió - Góc thổi của gió là thông số được ghi trong các tài liệu kỹ thuật của tuabin gió. 10.Thượng nguồn so với hạ lưu - Thượng nguồn là nơi gió thổi đến, hoặc khu vực phía trước tuabin. Hạ lưu là nơi gió đang đi, hoặc phía sau tuabin gió. Vì các tuabin gió đang khai thác năng lượng từ gió, nên tốc độ gió ở hạ lưu luôn thấp hơn tốc độ gió ở thượng nguồn. Tốc độ gió chạy qua mặt phẳng, hoặc đoạn làm việc của tuabin là trung bình của vận tốc thượng lưu và hạ lưu. Hiệu suất của tuabin cao nhất khi tốc độ gió ở hạ lưu bằng 1/3 tốc độ gió ở thượng lưu. Hiệu suất của tuabin gió bị giới hạn bởi Giới hạn của Betz, quy định rằng không có tuabin gió nào có thể khai thác hơn 59,3% năng lượng gió sẵn có. VII. Các lỗi và biện pháp khắc phục. - Khi sử dụng tuabin gió một tầng cánh, có thể xuất hiện một số vấn đề và lỗi. Dưới đây là một số lỗi thường gặp và biện pháp khắc phục: 1)Hiệu Suất Thấp: - Nguyên Nhân: Tuabin gió có thể bị cặn bã nhờn hoặc bụi bẩn, cánh quạt hỏng, hoặc không đúng cấu hình cánh. - Biện Pháp Khắc Phục: Định kỳ vệ sinh tuabin, kiểm tra và thay thế cánh quạt hỏng, đảm bảo cấu hình cánh đúng. 2)Tiếng Ồn Lớn: - Nguyên Nhân: Tuabin không đều, lệch cánh, cánh quạt hỏng. - Biện Pháp Khắc Phục: Kiểm tra và điều chỉnh độ cân bằng của tuabin, đảm bảo cánh quạt không lệch, thay thế cánh quạt hỏng. 3)Nhiệt Độ Hoạt Động Cao: - Nguyên Nhân: Tăng ma sát do cánh quạt không mát. - Biện Pháp Khắc Phục: Kiểm tra hệ thống làm mát, đảm bảo cánh quạt và vòng bi được bôi trơn đúng cách. 4)Mất Hiệu Suất Do Quá Tải: - Nguyên Nhân: Tuabin không đủ công suất cho nhu cầu sử dụng. - Biện Pháp Khắc Phục: Đảm bảo tuabin được chọn có công suất đủ cho ứng dụng cụ thể. 5)Dao Động Tần Số: - Nguyên Nhân: Tuabin chạy ở tần số không đúng. - Biện Pháp Khắc Phục: Điều chỉnh bộ điều khiển tần số để đảm bảo tuabin chạy ở tần số mong muốn. 6)Lỗi Điều Khiển: - Nguyên Nhân: Có thể xuất hiện lỗi trong hệ thống điều khiển. - Biện Pháp Khắc Phục: Kiểm tra và sửa chữa các lỗi trong hệ thống điều khiển. 7)Mất Cân Bằng: - Nguyên Nhân: Cánh quạt bị méo hoặc hỏng. - Biện Pháp Khắc Phục: Thay thế hoặc điều chỉnh lại cánh quạt. 8)Tua bin không quay - Nguyên nhân: Nguồn điện không được cấp đúng, đối chiếu hoặc động cơ tua bin bị hỏng. - Biện pháp khắc phục: Kiểm tra nguồn điện, kiểm tra và thay thế động cơ nếu cần. 9)Lưu ý an toàn - Thực hiện định kỳ bảo dưỡng, kiểm tra kỹ thuật định kỳ và sửa chữa kịp thời. - Nhớ rằng, để đảm bảo an toàn và hiệu suất của tuabin gió, việc bảo dưỡng định kỳ và kiểm tra kỹ thuật là rất quan trọng. Nếu phát hiện vấn đề nào, nên thực hiện sửa chữa ngay lập tức để tránh gặp phải hậu quả nghiêm trọng.

Tổng quan về thiết bị

Cấu tạo của Tuabin điện gió

Cấu tạo của tuabin điện gió gồm có 6 bộ phận chính là: Tháp, Nền, Nacelle, Rotor & cánh quạt, Hub, Máy biến áp và các bộ phận khác cấu thành nên 1 tuabin gió hoàn chỉnh.

Hình 1.1 Cấu tạo của tuabin điện gió 1.1 Tháp

- Tháp có chức năng hấp thụ tải trọng tĩnh lớn (do sức mạnh của gió tác động) và chịu trọng lượng trực tiếp của nacelle cùng cánh quạt Bởi vậy tháp có cấu trúc hình ống bằng thép hoặc bê tông, đối với một số trường hợp đặc biệt tháp có cấu trúc dạng lưới Khả năng chịu tải của tháp máy phát tubin gió là rất cao vì nacelle thường nặng đến vài trăm tấn, cùng với ứng suất từ lực gió và cánh quạt.

- Đối với một dự án thì tháp máy phát tuabin chiếm 15% - 20% chi phí và cũng chính là bộ phận đem lại kinh tế cho dự án nhất Độ cao của máy phát tuabin gió sẽ phụ thuộc vào một số chi tiết như chi phí, công việc cần giải quyết,

- Các loại tháp tuabin gió: Các loại tháp sau đây đều có thể được triển khai Tuy nhiên, tháp bê tông và thép là phổ biến hơn tháp lưới thép:

+ Tháp thép: Thường bao gồm hai đến bốn phân đoạn Các tháp bê tông với ván khuôn leo: được xây dựng tại chỗ và giúp vận chuyển và lắp đặt dễ dàng hơn (được gọi là bê tông đổ tại chỗ) Nhưng phải hết sức cẩn thận khi ở độ cao đáng kể và vào mùa đông.

+ Tháp bê tông đúc sẵn: Ở đây các phân đoạn được đặt chồng lên nhau tại chỗ và được giằng bằng cáp thép trong tường.

+ Tháp lưới thép:Rất phổ biến ở Ấn Độ, nhưng cũng có thể được tìm thấy ở các nước khác, như ở Mỹ (các nhà máy phương Tây) và ở Đức.

+ Tháp lai:bao gồm các thành phần của các loại tháp nói trên.

+ Trụ với gia cố dây:Rất phổ biến trong các máy phát điện gió nhỏ, vì một mặt chúng nhẹ và mặt khác có thể được thiết lập mà không cần cần trục Các tháp cao hơn 80m thường có thang máy ở bên trong tháp để thuận tiện cho việc đi lên.

Hình 1.1.1 Các loại tháp tuabin gió

- Một số ví dụ về độ cao của tháp:

 Chiều cao trung tâm xấp xỉ 40-65m: Công suất đánh giá xấp xỉ 600 Đường kính rotor 40 đến 65m.

 Chiều cao trung tâm: 120 đến 130 Công suất đánh giá xấp xỉ 4,5 đến 6 Đường kính rotor từ 112 đến 126m.

- Để đảm bảo sự chắc chắn cho tuabin gió chúng ta sẽ sử dụng móng cọc hoặc nền phẳng (việc quyết định sẽ dựa vào độ kiên cố của nền bên dưới) Chính nền sẽ giúp neo tuabin gió với mặt đất Phần nền sẽ có chức năng cố định máy phát điện gió vào lòng đất nhằm ổn định máy phát điện gió, móng cọc hoặc móng nông:

- Móng tấm/ móng nông : Phần móng này được tạo thành từ tấm bê tông cốt thép lớn nằm dưới lòng đất, đây cũng là loại nền được sử dụng phổ biến hiện nay.

- Móng cọc: Là móng này được cố định bằng cọc vào trong lòng đất (thích hợp ở những nơi có đất nền mềm).

Hình 1.1.2Quá trình xây dựng nền (móng) tuabin điện gió Hướng Tân – Tân Linh

- Các nền móng sau đây được sử dụng ngoài khơi (offshore) Hiện tại, rất nhiều nghiên cứu vẫn đang được thực hiện và thử nghiệm.

* Đối với một số tuabin gió được lắp đặt ở ngoài khơi thì được sử dụng các loại móng nền sau đây:

- Gravity foundations (móng trọng lực): Được đặt ở dưới đáy biển, sở hữu trọng lượng bê tông cực lớn và ổn định, không cần phải cố định thêm gì ở dưới đáy biển.

-Tripod: Sẽ có giá ba chân để đỡ máy tuabin điện gió, các cọc được kết nối với nhau bằng một khung thép để lực được phân phối đều ở cả 3 cọc (mỗi cọc đều được cố định dưới đáy biển sâu 10 – 20m).

- Bucket foundation (móng xô):Sẽ có một hình trụ bằng thép mở về hướng phía dưới, xi lanh được đặt dưới đáy biển và rồi được bơm ra ngoài, chính áp lực âm lực sinh ra từ trong móng ép xuống đất Và cũng chính những vật liệu ở đáy bên trong của hình trụ sẽ thực hiện hỗ trợ nền móng, cố định nó vào đáy biển.

- Monopile: Móng nền này là một cột buồm, cọc thép có đường kính khoảng 4m dìm trong đáy biển, dựa vào mực nước biển mà có sự điều chỉnh độ sâu thích hợp.

Hình 1.2 Các kiểu lắp đặt móng cọc 1.3 Rotor & cánh quạt

 Roto được biết là thành phần đi liền với các cánh quạt và cùng tạo ra sự chuyển đổi năng lượng gió thành chuyển động cơ học để tạo ra điện.

 Hiện nay thì rotor ba cánh quạt trục ngang phổ biến nhất, các cánh quạt thường có cấu tạo từ sợi thủy tinh hoặc sợi carbon gia cường nhựa Thiết kế của các cánh quạt tương tự như của cánh máy bay, sử dụng chung nguyên tắc nâng: Phần ở dưới của cánh quạt gió đi qua sẽ làm không khí tạo ra áp suất cao hơn, phần phía trên sẽ tạo ra lực kéo, chính những lực này sẽ làm cho rotor quay.

 Là bộ phận vô cùng quan trọng trên rotor và của tuabin gió Sẽ có những yêu cầu cụ thể khác nhau cho từng cánh quạt và chúng sẽ phải chịu trọng tải lớn.

Phân loại

* Tuabin gió hiện nay có 2 loại chính:

– Tua bin gió trục ngang:Như tên gọi của nó, người tiêu dùng phải gắn tuabin gió với trục ngang để thu được năng lượng Tuabin gió loại này có hiệu suất cao hơn tuabin gió trục đứng, đây là loại tuabin gió hiệu quả nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng Nó được thiết lập trên cao trên các tháp lớn để tận dụng tốc độ gió ở độ cao lớn Mặc dù điều này mang lại hiệu quả tốt hơn nhưng lại gây khó khăn cho việc sửa chữa

+ Tua-bin điện gió ba cánh được sử dụng rộng rãi nhờ sự phân bố đều về lực trong diện công suất cao hơn khoảng 3-4% so với Tua-bin điện gió hai cánh, ngòai ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế được những ảnh hưởng cơ của những chi tiết khác trong Tua-bin.

+ Việc nâng số cánh quạt của Tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt được công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so với Tua-bin điện gió ba cánh nên những Tua- bin loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế.

– Tuabin gió trục đứng: giống như máy bay trực thăng, Tuabin trục đứng được đánh giá là không ổn định Nếu tuabin này lắp đặt ở vị trí địa hình thấp thì lượng điện cũng tạo ra yếu Tuabin gió trục đứng không cần dùng bộ phận điều chỉnh hướng quạt do nó có thể tự quay dù gió đến từ hướng nào Một ưu điểm khác của tuabin gió trục đứng là có thể lắp đặt ở nơi chật hẹp như các khu đông dân cư Tuabin gió trục đứng có tuổi thọ cao hơn tuabin gió trục ngang.

Hình 2 Các kiểu tuabin gió trục đứng

-Ngoài ra còn có tua in gió 2 tầng cánh (đang phát triển)

Pham vi sử dụng

- Dãy công suất tua-bin gió từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài MW thường được tập hợp thành một nhóm những tua-bin với nhau trong một trại gió (Nhà máy điện gió) và nó sẽ cung cấp điện năng cho lưới điện Các tua-bin gió loại nhỏ có công suất dưới 50 kW được sử dụng cho gia đình Viễn thông hoặc bơm nước,đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diesel, pin và hệ thống quang điện Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùngxa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này.

Sơ đồ hệ thống truyền động của thiết bị

Sơ đồ mạch điện

- Công dụng của kí hiệu trong sơ đồ mạch điện:

Chỉnh lưu biến đổi điện áp từ AC thành DC

Nghịch lưu biến đổi điện áp từ DC thành AC

Tăng công suất điện áp đầu ra mong muốn đạt được

Máy cắt đồng bộ được sử dụng để duy trì sự đồng bộ hóa tần số hoặc pha giữa các nguồn điện hoặc tải điện

Tỷ số tốc độ chuẩn (TSR) Đây là một đại lượng quan trọng trong thiết kế turbine gió và được tính bằng cách chia tốc độ đầu cánh của cánh quạt cho tốc độ gió đến Tỷ số TSR quyết định hiệu suất của turbine gió, giúp tối ưu hóa công suất đầu ra.

Sơ đồ hệ thống truyền động

- Khi có gió Wind vane (9 Đo lường gió) nhận tín hiệu và truyền đến Yaw motor (12.Động cơ truyền động hướng) để giữ cho Rotor (2) luôn hướng về hướng gió chính thông qua Yaw drive (14.Truyền động hướng) Gió thổi làm cho cánh quạt quay (1) nhờ Pitch (3.Bộ phận điều chỉnh cánh) giúp tuabin điều chỉnh góc nghiêng của cánh để hứng gió và làm cho Rotor (2) quay và trục tốc độ thấp quay (4) dẫn đến trục tốc độ cao quay (11) nhờ sự ăn khớp bánh răng thông qua hộp số (5) Trục tốc độ cao quay kéo theo rotor, máy phát tạo ra dòng điện.

- Ngoài ra Turbin gió còn có bộ điều khiển tốc độ quay(7)

+ Khi tốc độ gió từ 15 - 25 m/s, bộ điều khiển tốc độ quay của turbin hoạt động (8) + Khi tốc độ vượt quá 25m/s thì turbin sẽ được giảm tốc độ quay nhờ phanh (15) để hãm lại giúp động cơ làm việc quá công suất và cháy nổ.

Nguyên lý hoạt động

- Các tuabin (Turbine) gió nhờ vào lực đẩy khí động học tương tự như cánh máy bay, hay trực thăng Khi gió thổi qua các cánh, áp suất của một bên cánh giảm Sự chênh lệch áp suất hai bên cánh quạt làm cho cánh quạt xuất hiện hai lực là lực kéo và nâng Lực nâng cao mạnh hơn so với lực kéo và đây là nguyên nhân làm quay roto của tuabin Roto được kết nối với máy phát trực tiếp thông qua trục hoặc qua hộp số Roto quay từ đó cũng làm máy phát tạo ra điện Như vậy, từ phong năng, tuabin gió biến đổi thành cơ năng và làm cho máy phát tuabin quay sinh ra điện năng Điện năng sinh ra có dạng 2 chiều 3 pha Để điện năng đưa vào lưới, nó được biến đổi thành dòng điện một chiều bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu, được lọc và sau đó chuyển đổi trở lại thành dòng điện xoay chiều bằng cách sử dụng biến tần.

- Gió là một nguồn năng lượng dao động (không liên tục) và không phù hợp để đáp ứng nhu cầu năng lượng tải cơ sở vì vậy cần sử dụng một số hình thức lưu trữ năng lượng (ví dụ: pin, bơm thủy lực) trong hệ thống.

- Tuabin gió thường được đặt trên các trụ đỡ có chiều cao lớn, thông thoáng để thu được nhiều năng lượng gió nhất Ở độ cao lớn hơn 30m (trên mặt đất) thì các tuabin có thể đón gió thuận lợi nhất, cho tốc độ quay cánh quạt nhanh hơn, đều hơn.

Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ tuabin điện gió

+ Động cơ tuabin điện gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc các nhu cầu điện năng khác Chúng có thể nối tới một mạng điện lớn để phân phối mạng điện ra rộng hơn.

+ Tuabin điện gió có thể lắp đặt ở mức công suất từ 50 kW đến công suất lớn hơn đến vài MW (Megawatt).

+ Các tuabin điện gió công suất nhỏ dưới 50 kW thường được sử dụng cho hệ thống điện gió gia đình Đặc biệt, thích hợp lắp đặt và sử dụng cho các vùng sâu vùng xa – những địa phương chưa có lưới điện.

- Ưu điểm của công nghệ động cơ tuabin điện gió:

Cho phép phát triển các hệ thống động cơ tuabin điện gió phù hợp với mọi nhu cầu sử dụng, điều kiện địa hình, môi trường…

Tạo ra nguồn năng lượng tái tạo có lợi nhuận cao hơn Hiệu quả kinh tế cao.

Năng lượng gió bảo vệ môi trường luôn xanh Giảm khí thải nhà kính và không gây tình trạng nhiễu xạ điện từ trường.

Có khả năng lắp đặt và ứng dụng ngay cả trong các vùng địa hình phức tạp, hiểm trở như: các khu vực đồi núi, biển, hải đảo có diện tích nhỏ, nhà dân…

- Nhược điểm và những hạn chế:

 Cạnh tranh với các nguồn điện khác do có chi phí xây dựng khá tốn kém. Trongcấu tạo tuabin gióthì xây dựng trụ, tháp hoặc đầu tư các chi tiết khác vừa tốn nhiều chi phí, thời gian khảo sát lâu hơn.

 Gió là nguồn năng lượng dao động có thể mạnh - yếu tùy từng điều kiện cụ thể. Các loại điện từ năng lượng mặt trời, năng lượng gió phụ thuộc rất lớn vào vị trí lắp đặt Chúng không đáp ứng được nhu cầu năng lượng tải cơ sở mà cần sử dụng thêm các hình thức lưu trữ năng lượng khác (PIN, bơm thủy lực, ).

 Các tuabin gió có thể gây ra những tiếng ồn khó chịu cũng như gây mất mỹ quan cho không gian Các nhà động vật học còn cho rằng các cánh quạt của tuabin gió khi hoạt động thực sự là mối nguy hiểm đối với các loài chim hoang dã.

Chi phí lắp đặt và bảo trì khá tốn kém.

Lắp đặt và vận hành tuabin điện gió

- Việc lắp đặt một trang trại gió đòi hỏi phải có một cái nhìn tổng quan về địa lý để quyết định các đặc thù của mặt đất có thể ảnh hưởng đến công trình Một kế hoạch về các yêu cầu xây dựng tại vị trí đặt tuabin, điều tra địa kỹ thuật để xác định điều kiện mặt đất và nghiên cứu nối đất để xác định thành phần của đất (cần thiết để lập kế hoạch kết nối điện) Tiếp đến là xác định vị trí của các thành phần quan trọng như tuabin, máy biến áp tuabin gió, trạm biến áp cao áp và cơ sở hạ tầng để truyền tải điện năng ở những nơi cần thiết v.v

2 Chuẩn bị và lắp đặt nền móng

- Việc xây dựng nền móng phụ thuộc vào kích thước và loại hệ thống tuabin và ngày càng khó khăn hơn bởi thực tế là các tuabin gió hiện đại đang ngày càng cao và lớn hơn để đạt đến những luồng gió mạnh hơn, ổn định hơn.

- Thời gian chuyển công đoạn là ít nhất hai tuần sau khi xây dựng xong phần móng để cho phép nền bê tông hoàn toàn vào đất.

- Các kỹ sư cũng phải xem xét tất cả các yếu tố vật lý liên quan đến hoạt động và hỗ trợ thích hợp của tuabin cũng như các dao động của chính tuabin trong khi xây dựng nền móng.

- Phần tiếp đến được lắp đặt là tháp Vì các tòa tháp rất cao, chúng phải được lắp đặt theo từng phần thay vì tất cả cùng một lúc.

- Công đoạn này thường sử dụng các cần trục công suất cao để xây dựng tháp vì các phương tiện này cho phép lắp các bộ phận khác nhau của tháp một cách chính xác.

Tùy thuộc vào kích thước của tuabin, công đoạn này có thể mất một hoặc nhiều ngày(tuỳ theo mức độ phức tạp).

- Việc lắp nacelle là giai đoạn sau trong quá trình lắp đặt tuabin gió Có nhiều loại nacelle khác nhau, thông thường các tính năng và kích thước của nacelle sẽ tương ứng với kích thước của tuabin gió Nacelle có thể xoay 360 độ để đặt chính diện đối mặt với gió.

- Việc lắp đặt các cánh tuabin là giai đoạn cuối cùng trong quá trình xây dựng bất kỳ tuabin gió nào Các cánh quạt được gắn trực tiếp vào trục và rotor để chuyển từ năng lượng gió sang điện năng Hệ thống có khả năng căn chỉnh các cánh song song với hướng gió để dừng hoạt động (do gió quá nhiều hoặc quá ít) Các cánh quạt được đặt vuông góc với gió để bắt đầu hoạt động.

- Trong các tuabin gió nhỏ, rotor sẽ được nâng lên cùng với cánh quạt Điều này không thể được thực hiện trong các tuabin gió hiện đại lớn hơn.

Hình 5 Lắp đặt cánh tuabin gió b Vận hành

- Vận hành turbine điện gió bằng cách quản lý và kiểm soát hệ thống Điều này bao gồm theo dõi hiệu suất của turbine thông qua các hệ thống giám sát, điều chỉnh hướng của cánh quạt để tối ưu hóa bắt gió, và thực hiện bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo hoạt động ổn định Các kỹ thuật viên cũng có thể đối phó với các sự cố và thực hiện các biện pháp sửa chữa khi cần thiết để duy trì hoạt động hiệu quả của hệ thống.

Tính toán công suất dẫn động và sản lượng điện của tuabin điện gió

Cách xác định sản lượng điện của một tuabin

- Năng lượng gió là một hàm của tốc độ và khối lượng không khí Khi tốc độ gió cao thì năng lượng gió lớn Mối quan hệ giữa khối lượng, tốc độ không khí và năng lượng gió được thể hiện bởi phương trình động năng

- Động năng của không khí:

- Khối lượng của không khí được xác định bằng công thức:

- Mật độ công suất không khí

- Diện tích cản gió của cánh quạt được xác định bằng công thức:

F = R 2 (3)Thay (2) và (3) vào (1) ta có:

Eg – Năng lượng gió (J) m – Khối lượng của không khí (kg) v – Vận tốc của không khí ( m/s)

A - Diện tích vòng quay cánh quạt δ- Mật độ không khí (kg/m3) (thông thường mật độ không khí lấy bằng 1.22kg/m3) t – Thời gian tính (s)

T - Nhiệt độ không khí (Celsius) h - Độ cao của gió trên mực nước biển (m)

F – Diện tích không khí đi qua (Diện tích cản gió của cánh quạt) (m2)

R – Bán kính cánh quạt của Tuabin(m) t – Thời gian tính (s)

Vậy công suất gió của một tuabin được tính theo công thức[1]:

Ta thấy, năng lượng tỷ lệ bậc 3 với tốc độ gió nên cần phải đặc biệt quan tâm đến vị trí đặt Tuabin để thu được tốc độ gió lớn [8]

V(z): Vận tốc gió ở độ cao z (m/s)

V(zr): Vận tốc gió ở độ cao zr tham khảo (m/s) α: hệ số mũ, thay đổi theo độ mấp mô bề mặt (là một đại lượng đo của lực ma sát bởi gió thổi ngang qua mặt đất) [9].

- Qua đó, ta thấy việc lựa chọn vị trí và cao độ lắp đặt của Tuabin gió ảnh hưởng rất lớn đến sản lượng điện thu được.

- Ngoài ra, Công suất điện thu được của một tuabin gió còn phụ thuộc vào công nghệ của tuabin, hay hệ số công suất (hiệu suất) của tuabin Do đó công suất điện thực tế của Tuabin được xác định theo công thức:

- Trong đó: PR - Công suất thực tế

– Hệ số công suất (Hiệu suất) của tuabin là một hàm của tỷ số tốc độ g và góc điều chỉnh cánh quạt.

- Tỷ số tốc độ g được định nghĩa bởi:

(8) Trong đó:w - Vận tốc gốc của cánh quạt.

- Hiệu suất tổng cộng của một Tuabin = Hiệu suất Rotor x Hiệu xuất truyền động x Hiệu suất máy phát x Điều kiện về gió [2]

- Vì vậy, một Tuabin gió được thiết kế hoàn chỉnh tương đối tốt thì cũng chỉ nhận được khoảng 30% đến 40% Tổng năng lượng của tiềm năng gió.

- Từ những phân tích trên ta có thể xác định được sản lượng điện trung bình trong năm:

AE (MWh/tuabin) - Sản lượng điện thực tế hằng năm trên 1 tuabin

CF: Hệ số công suất

T (h/năm): Số giờ vận hành trong năm

P (MWh/tuabin): Sản lượng điện thực tế hằng năm trên 1 tuabin

CF: Hệ số công suất

T (h/năm): Số giờ vận hành trong năm

* Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng điện

- Sản lượng điện của một Tuabin gió phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Tỷ lệ bậc 3 với tốc độ gió

+ Phụ thuộc vào độ mấp mô bề mặt, hay lực ma sát của gió thổi qua mặt đất nơi lắp đặt tuabin gió

+ Phụ thuộc vào hệ số công suất của tuabin hay phụ thuộc vào chủng loại của tuabin (Hãng sản xuất)

+ Phụ thuộc vào độ cao của trụ tuabin và diện tích cản gió của cánh quạt (hay còn gọi là thông số kỹ thuật của tuabin).

Vận tốc gió và độ cao cột gió

- Như ta đã biết, càng lên cao, không khí càng loãng (mật độ không khí càng giảm), và vận tốc gió càng tăng Sự phân bố tốc độ gió tuân theo các qui luật về chất khí (các phân tử khí) Đối với chất khí, có hai qui luật phân bố được áp dụng từ trước đến nay, đó là qui luật Maxwell và qui luật Weibull.

- Tổ chức Khí tượng Thế giới - World Meteorological Organization - WMO (hiện có 191 quốc gia là thành viên) đã chính thức công nhận (trong các tài liệu kỹ thuật của mình) sự phân bố của tốc độ gió tuân theo qui luật phân bố Maxwell (vì trên thực tế nó cho kết quả chính xác hơn Weibull).

* Ví dụ:Biết vận tốc gió ở độ cao 10m là 1,6 m/s, ta có thể tính được gần đúng: vận tốc gió ở độ cao 60m là 2,07 m/s; ở độ cao 80m- 2,15 m/s; ở độ cao 100m- 2,22 m/s; ở độ cao 120m- 2,28 m/s.

Tần suất (số lần lặp lại) của vận tốc gió

- Điều quan trọng khi xử lý các số liệu thống kê về vận tốc gió là tần suất lặp lại của gió theo các cấp (mức độ) tăng dần của vận tốc gió Về lý thuyết, độ chính xác/ổn định của số liệu thống kê phụ thuộc vào: độ dài của dẫy số thống kê (10, 15, 20 năm -

Thông thường, người ta phân ra thành 6 (hoặc 7) cấp độ tăng dần của vận tốc gió (m/s) như sau: 0÷1; 2÷5; 6÷11; 12÷15; 16÷20 (hoặc 21÷24) và >21 (hoặc >25).

- Việc phân mức độ cần tính đến độ chính xác của các số liệu thống kê thu được của các chong chóng gió thời tiết ở các trạm khí tượng Tần suất (sự lặp lại) của gió được biểu thị bằng số lượng các trường hợp tính bằng phần trăm, và được thống kê riêng biệt cho mỗi mùa.

- Phân bố vận tốc gió là bất đối xứng, do đó, vận tốc gió phân bố trên một diện tích hứng gió được xác dựa trên các thông số thống kê cơ bản như: độ lệch chuẩn - độ lệch trung bình, độ lệch bậc 2 (standard deviation), hệ số biến đổi (coefficient of variation) và hệ số bất đối xứng (coefficient of asymmetry) v.v

Lập phương trung bình của vận tốc gió

- Lưu ý: Phần lớn các động cơ được thiết kế với tốc độ gió từ nhỏ nhất để đưa tua bin vào hoạt động (cut-in wind speed), thường là 3m/s đến tốc độ gió lớn nhất phải dừng hoạt động của tua bin (cut-out wind speed) thường là 25m/s.

Tốc độ gió tối đa

- Tốc độ gió tối đa là đặc tính quan trọng của gió để đánh giá nguy cơ gẫy tua bin gió khi tính độ bền của tua bin gió Vì nhiều nguyên nhân, trong đó, quan trọng nhất tin cậy về tốc độ gió tối đa là rất khó Vì vậy, trong thời gian gần đây, tốc độ gió tối đa thường được xác định bằng phương pháp tính toán (ngoại suy) Bản chất của phương pháp tính này là sự phân bố về tốc độ gió (thu được qua các số liệu khí tượng) mang tính thống kê/kinh nghiệm (empirical distribution) có thể được xác định gần đúng bằng một phương trình phân bố nào đó Vì vậy, bằng phương trình đó, người ta có thể xác định được tốc độ gió tối đa.

* Lưu ý: Trong hộ chiếu của một số tua bin gió có đưa ra tốc độ gió tối đa mà tua bin gió có thể không bị đổ/gẫy (survival wind speed/tipspedd), thông thường là 50m/s đối với các tháp gió cao, và 60m/s đối với tháp gió thấp.

Hướng gió

- Trong thực tế, để chuyển đổi hướng gió từ sơ đồ 16 hướng thành sơ đồ 8 hướng, người ta áp dụng các công thức (các giả định) sau:

Bắc + Bắc Đông Bắc = Bắc. Đông Bắc + Bắc Đông Bắc = Đông Bắc. Đông + Nam Đông Nam = Đông v.v

* Lưu ý:trong xác định tốc độ gió và hướng gió, chỉ số thống kê về biên độ (R) cũng thường được sử dụng Chỉ số này cho biết mức độ ổn định của các hướng gió Nếu chỉ số này tiến tới giá trị 0 (R =>0), hướng gió được coi là ổn định, nếu R=>max, hướng gió - không ổn định.

=> Tóm lại:các chỉ số chủ yếu về khí tượng có ảnh hưởng quyết định đến việc khai thác/sử dụng năng lượng gió gồm:

1/ Các thông số về phân bố tốc độ gió; tốc độ gió tối đa; và trung bình lập phương của tốc độ gió Khi xem xét sự phân bố của tốc độ gió, cần đặc biệt chú ý đến sự lặp lại và số lần lặp lại của tốc độ gió bằng 0 và tốc độ gió nhỏ (để xác định thời gian không phát điện của tua bin), cũng như sự lặp lại và số lần lặp lại của các tốc độ gió nguy hiểm (>21m/s hoặc >25m/s) để xác định nguy cơ bị gẫy của tua bin gió.

2/Hướng gió trong sơ đồ mạng gió 8 hướng (hoặc 16 hướng), độ lặp lại của hướng gió và phân bố trong cả năm trên diện tích khảo sát.

Việc thống kê các chỉ số này là rất cần thiết để đánh giá chế độ làm việc của tua bin gió.

Công suất của gió và của tua bin gió

- Áp lực của gió (F) lên các cánh quạt của tua bin được xác định bằng công thức:

Hình 7 Biểu đồ nhiệt độ không khí

Chiều cao của cột tua bin (cột gió)

- Lỗi kỹ thuật có thể xẩy ra khi xác định chiều cao (so với mặt đất) của cột gió (chiều cao đặt tua bin) Khi tua bin gió được đặt ở độ cao thấp hơn mức cần thiết (đây là lỗi thường gặp) cũng tương tự như các tấm PV của điện mặt trời được đặ trong bóng râm.

- Như trên đã nêu, khi chiều cao tăng, vận tốc gió tăng và độ quẩn (tính nhiễu loại/turbulence) của gió giảm.

- Tùy thuộc vào địa hình cụ thể, căn cứ vào chiều cao H của các vật cản (lồi/lõm của mặt đất, chiều cao của nhà/công trình xây dựng, cây/rừng v.v ), sự chuyển động của không khí (gió) sẽ bị nhiễu loạn ở một độ cao nhất định so với mặt đất (khoảng 2H).

Vì vậy, tua bin gió phải được đặt ở độ cao lớn hơn 2H, như trong sơ đồ minh họa(không theo tỷ lệ) sau:

- Theo sơ đồ trên, gió quẩn sẽ xẩy ra ở độ cao thấp hơn 2 lần và trong giới hạn lớn hơn 20 lần so với chiều cao của vật cản.

- Lưu ý: tháp/cột tua bin càng cao, chi phí xây dựng cột càng tăng, nhưng chi phí tăng thêm này sẽ được hoàn rất nhanh nhờ tăng được vận tốc của gió.

- Ngoài ra, cột tua bin cần đặt xa các vách đá dốc, hoặc các vị trí có độ cao thay đổi đột ngột tối thiểu 300m.

Góc thổi của gió

- Góc thổi (α) của gió (угол атаки/attack angle) là góc giữa hướng của véc tơ dòng chảy của khí (hoặc gió) và hướng đặc tính (thiết kế) theo chiều dọc của cánh quạt(hay cánh máy bay) được biểu thị trong sơ đồ sau:

Hình 9 Góc thổi của gió

- Góc thổi của gió là thông số được ghi trong các tài liệu kỹ thuật của tuabin gió.

Thượng nguồn so với hạ lưu

- Thượng nguồn là nơi gió thổi đến, hoặc khu vực phía trước tuabin Hạ lưu là nơi gió đang đi, hoặc phía sau tuabin gió Vì các tuabin gió đang khai thác năng lượng từ gió, nên tốc độ gió ở hạ lưu luôn thấp hơn tốc độ gió ở thượng nguồn Tốc độ gió chạy qua mặt phẳng, hoặc đoạn làm việc của tuabin là trung bình của vận tốc thượng lưu và hạ lưu Hiệu suất của tuabin cao nhất khi tốc độ gió ở hạ lưu bằng 1/3 tốc độ gió ở thượng lưu Hiệu suất của tuabin gió bị giới hạn bởi Giới hạn của Betz, quy định rằng không có tuabin gió nào có thể khai thác hơn 59,3% năng lượng gió sẵn có.

Các lỗi và biện pháp khắc phục

Hiệu Suất Thấp

- Nguyên Nhân: Tuabin gió có thể bị cặn bã nhờn hoặc bụi bẩn, cánh quạt hỏng, hoặc không đúng cấu hình cánh.

- Biện Pháp Khắc Phục: Định kỳ vệ sinh tuabin, kiểm tra và thay thế cánh quạt hỏng, đảm bảo cấu hình cánh đúng.

Tiếng Ồn Lớn

- Nguyên Nhân: Tuabin không đều, lệch cánh, cánh quạt hỏng.

- Biện Pháp Khắc Phục: Kiểm tra và điều chỉnh độ cân bằng của tuabin, đảm bảo cánh quạt không lệch, thay thế cánh quạt hỏng.

3) Nhiệt Độ Hoạt Động Cao:

- Nguyên Nhân: Tăng ma sát do cánh quạt không mát.

- Biện Pháp Khắc Phục: Kiểm tra hệ thống làm mát, đảm bảo cánh quạt và vòng bi được bôi trơn đúng cách.

Mất Hiệu Suất Do Quá Tải

- Nguyên Nhân: Tuabin không đủ công suất cho nhu cầu sử dụng.

- Biện Pháp Khắc Phục: Đảm bảo tuabin được chọn có công suất đủ cho ứng dụng cụ thể.

Dao Động Tần Số

- Nguyên Nhân: Tuabin chạy ở tần số không đúng.

- Biện Pháp Khắc Phục: Điều chỉnh bộ điều khiển tần số để đảm bảo tuabin chạy ở tần số mong muốn.

Lỗi Điều Khiển

- Nguyên Nhân: Có thể xuất hiện lỗi trong hệ thống điều khiển.

Mất Cân Bằng

- Nguyên Nhân: Cánh quạt bị méo hoặc hỏng.

- Biện Pháp Khắc Phục: Thay thế hoặc điều chỉnh lại cánh quạt.

Tua bin không quay

- Nguyên nhân: Nguồn điện không được cấp đúng, đối chiếu hoặc động cơ tua bin bị hỏng.