giáo trình bài giảng Năng lượng gió

408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng Ch 3: Năng lượng gió 3.5 Hiệu suất cực đại rôto 3.6 Máy phát tuabin gió 3.7 Điều chỉnh tốc độ để đạt công suất cực đại 3.8 Công suất gió trung bình Bài giảng Hiệu suất cực đại rôto • Hai trường hợp đặc biệt, hai nghĩa • Tốc độ gió phía sau – tuabin lấy toàn công suất gió • Tốc độ gió phía sau phía trước – tuabin không lấy công suất • Albert Betz 1919: Phải có mức độ giảm tốc độ lý tưởng để tuabin lấy công suất tối đa • Dựa vào ràng buộc khả tuabin việc chuyển động gió thành công suất • Xét luồng gió qua tuabin – giảm tốc độ giảm áp suất, nở Bài giảng Công suất nhận từ cánh Pb = m& ( v − vd ) (6.18) • ṁ = tốc độ truyền khối không khí ống • v = tốc độ gió phía trước (chưa bị ảnh hưởng) • vd = tốc độ gió phía sau Bài giảng Xác định tốc độ truyền khối • Dễ xác định bề mặt rôto biết diện tích mặt cắt A • Vậy, tốc độ truyền khối từ (6.3) m& = ρ Avb (6.19) • Giả sử tốc độ gió rôto vb trung bình cộng tốc độ gió phía trước v tốc độ gió phía sau vd: v + vd vb = Bài giảng  v + vd  m& = ρ A  ÷   Công suất nhận từ cánh • Vậy (6.18) trở thành  v + vd  2 Pb = ρ A  v − v d ) ÷(   • Định nghĩa vd λ= v (6.20) (6.21) • Viết lại (6.20) thành  v + λv  2 Pb = ρ A  v − λ v ) ÷(   Pb = ρ Av × ( + λ ) ( − λ )  2 PW = Công suất gió (6.22) (6.22) CP = Hiệu suất rôto Bài giảng Hiệu suất cực đại rôto • Tìm tỷ số tốc độ gió λđể hiệu suất rôto đạt cực đại, CP • Từ slide trước 1 λ λ λ CP = ( + λ ) ( − λ )  = - + 2 2 Gán đạo hàm hiệu suất 0, giải theo λ: ∂CP =3λ + 2λ − = ∂λ ∂CP = ( 3λ − 1) ( λ + 1) = ∂λ λ= cho hiệu suất rôto cực đại Bài giảng Hiệu suất cực đại rôto • Thay giá trị tối ưu λ vào CP để tìm hiệu suất cực đại rôto:     16 CP = 1 + ÷ − ÷ = = 59.3%     27 (6.26) • Hiệu suất cực đại 59,3% xảy không khí phía sau có tốc độ 1/3 giá trị phía trước • Được gọi “hiệu suất Betz” hay “định luật Betz” Bài giảng 8 Hiệu suất rôto • Ở tốc độ gió cho, hiệu suất rôto hàm tốc độ quay rôto • Nếu rôto quay chậm, hiệu suất giảm cánh để lọt nhiều gió • Nếu rô to quay nhanh, hiệu suất giảm cánh gây nhiễu loạn nhiều lên cánh • Cách thông thường để minh họa hiệu suất rôto biểu diễn hàm tỷ số tốc độ (TSR – tip-speed ratio) • Tỷ số tốc độ tỷ số tốc độ đầu cánh tốc độ gió Bài giảng Tỷ số tốc độ (TSR) • Hiệu suất hàm tốc độ quay rôto • Tỷ số tốc độ (TSR) Rotor tip speed rpm × π D Tip-Speed-Ratio (TSR) = = (6.27) Wind speed 60v • D = đường kính rôto (m) • v = tốc độ gió phía trước (m/s) • rpm = tốc độ rôto, (vòng/phút) • Rôto có cánh đạt hiệu suất cực đại tỷ số tốc độ cao Bài giảng 10 Các ví dụ DFIG GE 1,5 MW 3,6 MW Tuabin GE 1,5 MW turbines bán chạy Mỹ với 43% thị phần vào năm 2008 Bài giảng 28 Các hệ thống hòa lưới gián tiếp • Tuabin phép quay tốc độ • Tần số AC biến thiên từ máy phát qua chỉnh lưu (AC-DC) nghịch lưu (DC-AC) thành 50 Hz để hòa lưới • Xử lý tốt thay đổi nhanh tốc độ gió Bài giảng 29 Công suất gió trung bình • Chúng ta dự đoán lượng từ tuabin gió không? • Để tính công suất gió trung bình, ta cần biết giá trị trung bình lũy thừa ba tốc độ: Pavg 1 3 =  ρ Av ÷ = ρ A ( v ) avg 2  avg (6.29) • Đây lý dùng tốc độ gió trung bình vavg để tìm công suất gió trung bình v ×[ hours @ v ] ∑ miles of wind = = total hours ∑ [ hours @ v ] i vavg i i (6.32) i i Bài giảng 30 Công suất gió trung bình vavg = ∑ vi ×[ fraction of total hours @ vi ] (6.32) i • vi = tốc độ gió (km/h) • Tỷ lệ thời gian gió tốc độ vi xác suất v = vi vavg = ∑ vi ×[ probability that v = vi ] (6.33) i • Đây tốc độ gió trung bình theo nghĩa thống kê • Giá trị trung bình v3 tìm theo cách: v ( ) avg = ∑ vi ×[ probability that v = vi ] (6.35) i Bài giảng 31 Ví dụ liệu tốc độ gió thực Bài giảng 32 Ví dụ 6.9 • Dùng liệu cho hình 6.22, tìm tốc độ gió trung bình công suất gió trung bình (W/m2) Giả sử khối lượng riêng không khí 1,225 kg/m3 So sánh kết với kết tính nhầm dùng tốc độ gió trung bình Giải: • Lập bảng tính, dòng tính tỷ lệ thời gian so với năm, tốc độ gió nhân với tỷ lệ này, lũy thừa ba tốc độ gió nhân với tỷ lệ • Sẽ tính giá trị trung bình tốc độ gió, lũy thừa ba tốc độ gió Bài giảng 33 Hàm mật độ xác suất tốc độ gió Hàm mật độ xác suất tốc độ gió (p.d.f) – 1, diện tích đường cong Bài giảng 34 Hàm mật độ xác suất gió • f(v) = hàm mật độ xác suất gió • Xác suất tốc độ gió nằm hai giá trị: v2 p ( v1 ≤ v ≤ v2 ) = ∫ f (v )dv ∞ (6.36) v1 p ( ≤ v ≤ ∞ ) = ∫ f (v )dv = (6.37) • số giờ/năm tốc độ gió nằm hai giá trị: v2 hrs / yr ( v1 ≤ v ≤ v2 ) = 8760 ×∫ f (v)dv v1 Bài giảng 35 (6.38) Tốc độ gió trung bình theo hàm mật độ xác suất • Tương tự (6.33), có hàm liên tục thay hàm rời rạc vavg = ∑ vi ×p ( v = vi ) (6.33) i discrete ∞ vavg = ∫ v ×f (v)dv (6.39) continuous • Tương tự cho giá trị trung bình (v3) (v ) avg = ∑ vi ×p ( v = vi ) i (6.35) discrete v ( ) Bài giảng ∞ avg = ∫ v ×f (v)dv continuous 36 (6.40) Hàm mật độ xác suất Weibull • Điểm khởi đầu để lập đặc tính thống kê tốc độ gió k-1 k v f (v) =  ÷ ×e cc k v - ÷ c Weibull p.d.f (6.41) 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 10 Bài giảng 15 20 25 37 Hàm mật độ xác suất Rayleigh • Đây hàm mật độ xác suất Weibull với k = 2v f (v) = ×e c v - ÷ c Rayleigh p.d.f (6.42) • Thường điểm khởi đầu gió nơi • Khá thực tế cho vị trí đặt tuabin gió – gió mạnh có giai đoạn gió yếu gió mạnh Có quan hệ trực tiếp vavg c: vavg π = c ≅ 0.886 ×c Bài giảng (6.43) 38 Hàm mật độ xác suất Rayleigh • Từ (6.43), có giải c theo v c= vavg =1.128v (6.44) π • Rồi thay giá trị c vào hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.42) πv f (v) = ×e 2v πv −  ÷ 4v  Bài giảng Rayleigh p.d.f (6.45) 39 Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bình • Có thể dùng thống kê Rayleigh bạn biết tốc độ gió trung bình (từ đồng hồ đo gió) • Để tìm công suất gió trung bình, cần (v3)avg • Từ (6.40) hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.45): v ( ) ∞ avg = ∫ v ×f (v )dv (6.40) πv f (v) = ×e 2v • Với phân bố Rayleigh ta có (v ) ∞ πv = ∫ v × ×e 2v avg Bài giảng πv −  ÷ 4v  πv −  ÷ 4v  3 dv = c π 40 (6.45) (6.46) Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bình • Đây (v3)avg biểu diễn theo c, ta dùng (6.44) để biểu diễn c theo vavg • Vậy ta có (v3)avg biểu diễn theo vavg : (v ) avg 3 = ( vavg ) =1.91( vavg ) π (6.47) • Với giả thiết Rayleigh, ta biểu diễn (v3)avg theo vavg (6.47), biểu thức tính công suất gió trung bình Pavg = × ρ A ( vavg ) π trọng có ích • Đây kết quan Bài giảng (6.48) 41 Ví dụ 6.10 • Ước tính công suất gió trung bình độ cao 50 m tốc độ gió trung bình 10 m m/s Giả sử phân bố Rayleigh, hệ số ma sát chuẩn α = 1/7, mật độ không khí chuẩn ρ = 1,225 kg/m3 Giải: • Hiệu chỉnh tốc độ 50 m: v50 = v10(H50/H10)α = 7,55 m/s • Tính công suất gió trung bình đơn vị diện tích 61 PW = ρ ( vavg ) = 504 W/m π Bài giảng 42 [...]... tốc độ gió, và lũy thừa ba của tốc độ gió Bài giảng 8 33 Hàm mật độ xác suất tốc độ gió Hàm mật độ xác suất tốc độ gió (p.d.f) – giữa 0 và 1, diện tích dưới đường cong là 1 Bài giảng 8 34 Hàm mật độ xác suất gió • f(v) = hàm mật độ xác suất gió • Xác suất tốc độ gió nằm giữa hai giá trị: v2 p ( v1 ≤ v ≤ v2 ) = ∫ f (v )dv ∞ (6.36) v1 p ( 0 ≤ v ≤ ∞ ) = ∫ f (v )dv = 1 (6.37) 0 • số giờ/năm tốc độ gió nằm... bớt gió ở tốc độ gió cao • Hiệu suất rôto thay đổi ở các tỷ số tốc độ (TSR) khác nhau, và TSR là một hàm của tốc độ gió • Để duy trì TSR là hằng số, tốc độ cánh phải thay đổi khi tốc độ gió thay đổi • Thách thức ở đây là thiết kế máy có thể tạo ra tốc độ rôto thay đổi và tốc độ máy phát cố định Bài giảng 8 19 Hiệu suất theo tốc độ gió Bài giảng 8 20 Công suất phát ra theo tốc độ gió Bài giảng 8 21 Máy... tốc độ gió thực Bài giảng 8 32 Ví dụ 6.9 • Dùng dữ liệu cho trong hình 6.22, tìm tốc độ gió trung bình và công suất gió trung bình (W/m2) Giả sử khối lượng riêng của không khí là 1,225 kg/m3 So sánh kết quả với kết quả tính nhầm nếu chỉ dùng tốc độ gió trung bình Giải: • Lập bảng tính, mỗi dòng lần lượt tính tỷ lệ thời gian so với một năm, tốc độ gió nhân với tỷ lệ này, và lũy thừa ba của tốc độ gió nhân... (TSR) Bài giảng 8 11 Ví dụ 6.7 • Tuabin gió đường kính 40-m, 3 cánh, 600 kW, tốc độ gió 14 m/s, khối lượng riêng không khí 1,225 kg/m3 a Tìm tốc độ rôto (vòng/phút) nếu nó có TSR là 4,0 b Tìm tốc độ tại đầu cánh của rôto c Tỷ lệ hộp số là bao nhiêu để tốc độ rôto khớp với tốc độ của máy phát đồng bộ, nếu máy phát quay ở 1800 vòng/phút? d Hiệu suất của tuabin gió ở các điều kiện này là bao nhiêu? Bài giảng. .. Bài giảng 8 30 Công suất gió trung bình vavg = ∑ vi ×[ fraction of total hours @ vi ] (6.32) i • vi = tốc độ gió (km/h) • Tỷ lệ thời gian gió ở tốc độ vi cũng là xác suất v = vi vavg = ∑ vi ×[ probability that v = vi ] (6.33) i • Đây là tốc độ gió trung bình theo nghĩa thống kê • Giá trị trung bình của v3 cũng được tìm theo cùng cách: 3 v ( ) avg = ∑ vi 3 ×[ probability that v = vi ] (6.35) i Bài giảng. .. nhanh của tốc độ gió Bài giảng 8 29 Công suất gió trung bình • Chúng ta có thể dự đoán năng lượng từ tuabin gió không? • Để tính công suất gió trung bình, ta cần biết giá trị trung bình của lũy thừa ba của tốc độ: Pavg 1 1 3 =  ρ Av ÷ = ρ A ( v 3 ) avg 2  avg 2 (6.29) • Đây là lý do chúng ta không thể dùng tốc độ gió trung bình vavg để tìm công suất gió trung bình v ×[ hours @ v ] ∑ miles of wind... và 3,6 MW Bài giảng 8 27 Các ví dụ DFIG GE 1,5 MW và 3,6 MW Tuabin GE 1,5 MW turbines bán chạy nhất ở Mỹ với 43% thị phần vào năm 2008 Bài giảng 8 28 Các hệ thống hòa lưới gián tiếp • Tuabin được phép quay ở tốc độ bất kỳ • Tần số AC biến thiên từ máy phát đi qua một bộ chỉnh lưu (AC-DC) và một bộ nghịch lưu (DC-AC) thành 50 Hz để hòa lưới • Xử lý tốt các thay đổi nhanh của tốc độ gió Bài giảng 8 29... với điện trở rôto thay đổi (opti-slip) • Điều chỉnh điện trở mạch rô to làm thay đổi đường cong mômen-tốc độ • Làm việc giữa 9 và 19 vòng/phút Bài giảng 8 24 Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW Bài giảng 8 25 Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW Bài giảng 8 26 Máy phát không đồng bộ nguồn kép • Một phương pháp phổ biến khá là dùng thiết bị gọi là máy phát không đồng bộ nguồn kép, trong đó... rpm Bài giảng 8 17 Trang trại gió • Khảo sát trong hình 6.28 xét các dãy vuông, nhưng các dãy vuông không có ý nghĩa lắm • Các dãy hình chữ nhật với một vài hàng dài sẽ tốt hơn • Khoảng cách đề xuất là 3 – 5 lần đường kính rôto giữa các tháp trong một hàng và 5 – 9 lần đường kính rôto giữa các hàng • Đặt lệch các hàng là phổ biến Bài giảng 8 18 Điều chỉnh tốc độ tuabin • Cần thiết để có thể cắt bớt gió. .. = 2112 kW 2 2 4  Hiệu suất toàn bộ: 600 kW η= = 28.4% 2112 kW Bài giảng 8 15 Động cơ không đồng bộ dùng làm máy phát • Stato cần có dòng điện kích thích – từ lưới nếu nó nối lưới hay – tích hợp tụ điện bên ngoài Figure 6.18 Single-phase, self-excited, induction generator • Tốc độ gió làm cho máy phát quay nhanh hơn tốc độ đồng bộ Bài giảng 8 16 Động cơ không đồng bộ dùng làm máy phát • Độ trượt là