Năng lượng gió (phần 2) (NĂNG LƯỢNG tái tạo SLIDE)

Ch 3: Năng lượng gió 3.5 Hiệu suất cực đại rơto 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 rơto • Hai trường hợp đặc biệt, hai khơng có nghĩa • Tốc độ gió phía sau – tuabin lấy tồn cơng 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 cơng 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 khơng 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 rơto biết diện tích mặt cắt A • Vậy, tốc độ truyền khối từ (6.3) m&  Avb (6.19) • Giả sử tốc độ gió rơto vb trung bình cộng tốc độ gió phía trước v tốc độ gió phía sau vd: v  vd vb = �v  vd � m&  A � � � � Bài giảng Cơng suất nhận từ cánh • Vậy (6.18) trở thành �v  vd � 2 Pb   A � v  v d  � � � • Định nghĩa vd  v (6.20) (6.21) • Viết lại (6.20) thành �v   v � 2 Pb   A � v   v  � � � Pb   Av � � �1        � � 2 PW = Cơng suất gió (6.22) (6.22) CP = Hiệu suất rôto Bài giảng Hiệu suất cực đại rơto • Tìm tỷ số tốc độ gió để hiệu suất rơto đạt cực đại, CP • Từ slide trước 1    �= - + CP  �     �    � 2 2 Gán đạo hàm hiệu suất 0, giải theo : � CP =3  2   �  � CP =  3  1    1  �   cho hiệu suất rôto cực đại Bài giảng Hiệu suất cực đại rơto • Thay giá trị tối ưu  vào CP để tìm hiệu suất cực đại rôto: 1� � 16 � 1� � 1� CP  � 1 � 1 � =  59.3% � � � 2� � 3� � � � 27 (6.26) • Hiệu suất cực đại 59,3% xảy khơng khí phía sau có tốc độ 1/3 giá trị phía trước • Được gọi “hiệu suất Betz” hay “định luật Betz” Bài giảng Hiệu suất rơto • Ở tốc độ gió cho, hiệu suất rôto hàm tốc độ quay rơto • Nếu rơto quay q chậm, hiệu suất giảm cánh để lọt q nhiều gió • Nếu rô to quay nhanh, hiệu suất giảm cánh gây nhiễu loạn nhiều lên cánh • Cách thơng thường để minh họa hiệu suất rơto 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 8 Tỷ số tốc độ (TSR) • Hiệu suất hàm tốc độ quay rơto • Tỷ số tốc độ (TSR) Rotor tip speed rpm � D Tip-Speed-Ratio (TSR)  = (6.27) Wind speed 60v • D = đường kính rơto (m) • v = tốc độ gió phía trước (m/s) • rpm = tốc độ rơto, (vịng/phút) • Rơto có cánh đạt hiệu suất cực đại tỷ số tốc độ cao Bài giảng Tỷ số tốc độ (TSR) 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 27 Các hệ thống hịa 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 hịa lưới • Xử lý tốt thay đổi nhanh tốc độ gió Bài giảng 28 Cơng suất gió trung bình • Chúng ta dự đốn lượng từ tuabin gió khơng? • Để tính cơng suất gió trung bình, ta cần biết giá trị trung bình lũy thừa ba tốc độ: Pavg �1 3�  �  Av �   A  v  avg �2 � avg (6.29) • Đây lý khơng thể dùng tốc độ gió trung bình vavg để tìm cơng suất gió trung bình v� hours @ v   � miles of wind   total hours � hours @ v  i vavg i i (6.32) i i Bài giảng 29 Cơng 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 30 Ví dụ liệu tốc độ gió thực Bài giảng 31 Ví dụ 6.9 • Dùng liệu cho hình 6.22, tìm tốc độ gió trung bình cơng suất gió trung bình (W/m2) Giả sử khối lượng riêng khơng khí 1,225 kg/m3 So sánh kết với kết tính nhầm dùng tốc độ gió trung bình Giải: • Lập bảng tính, dịng 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 32 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 33 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 (6.38) v1 Bài giảng 34 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 • Tương tự cho giá trị trung bình (v3) v  avg  �vi � p  v = vi  i (6.39) continuous (6.35) discrete v   � avg Bài giảng � v �f (v )dv continuous (6.40) 35 Hàm mật độ xác suất Weibull • Điểm khởi đầu để lập đặc tính thống kê tốc độ gió k-1 k �v � -� � �c � k �v � f (v )  � � � e c �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 36 Hàm mật độ xác suất Rayleigh • Đây hàm mật độ xác suất Weibull với k = 2 �v � -� � �c � 2v f (v )  � e c Rayleigh p.d.f (6.42) • Thường điểm khởi đầu khơng biết 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   c  0.886 � c Bài giảng (6.43) 37 Hàm mật độ xác suất Rayleigh • Từ (6.43), có giải c theo v c vavg =1.128v (6.44)  • Rồi thay giá trị c vào hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.42)  �v �  �� �v � v f (v )  � e 2v Bài giảng Rayleigh p.d.f (6.45) 38 Thống kê Rayleigh – Cơng suất gió trung bình • Có thể dùng thống kê Rayleigh bạn biết tốc độ gió trung bình (từ đồng hồ đo gió) • Để tìm cơng 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) v f (v )  � e 2v  �v �  �� �v � (6.45) • Với phân bố Rayleigh ta có v  � v � v � 2� e 2v avg  �v �  �� �v � Bài giảng 3 dv = c  (6.46) 39 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   (6.47) • Với giả thiết Rayleigh, ta biểu diễn (v3)avg theo vavg (6.47), biểu thức tính cơng suất gió trung bình Pavg  �  A  vavg   (6.48) • Đây kết quan trọng có ích Bài giảng 40 Ví dụ 6.10 • Ước tính cơng 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  = 1/7, mật độ không khí chuẩn  = 1,225 kg/m3 Giải: • Hiệu chỉnh tốc độ 50 m: v50 = v10(H50/H10) = 7,55 m/s • Tính cơng suất gió trung bình đơn vị diện tích 61 PW   vavg  504 W/m  Bài giảng 41 ... 2v f (v )  � e c Rayleigh p.d.f (6. 42) • Thường điểm khởi đầu khơng biết 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:... hòa lưới • Xử lý tốt thay đổi nhanh tốc độ gió Bài giảng 28 Cơng suất gió trung bình • Chúng ta dự đốn lượng từ tuabin gió khơng? • Để tính cơng suất gió trung bình, ta cần biết giá trị trung... Bài giảng 30 Ví dụ liệu tốc độ gió thực Bài giảng 31 Ví dụ 6.9 • Dùng liệu cho hình 6.22, tìm tốc độ gió trung bình cơng suất gió trung bình (W/m2) Giả sử khối lượng riêng khơng khí 1,225 kg/m3