4. Phương phỏp nghiờn cứu
2.1.2. Cấu trỳc chung
Cỏc mỏy phỏt điện lợi dụng sức giú (dưới đõy gọi tắt là trạm phong điện) đó được sử dụng nhiều ở cỏc nước chõu Âu, Mỹ và cỏc nước cụng nghiệp phỏt triển khỏc. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về cụng nghệ này. Tới nay hầu hết vẫn là cỏc trạm phong điện trục ngang, gồm một mỏy phỏt điện cú trục quay nằm ngang với rotor (phần quay) ở giữa liờn hệ với một tua bin 3 cỏnh đún giú. Mỏy phỏt điện được đặt trờn một thỏp cao hỡnh cụn. Trạm phỏt điện kiểu này mang dỏng dấp những cối xay giú ở chõu Âu từ những thế kỷ trước nhưng rất thanh nhó và hiện đại. Cỏc trạm phong điện trục đứng gồm một mỏy phỏt điện cú trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với cỏc cỏnh đún giú đặt thẳng đứng. Cỏc trạm điện trục đứng cú thể hoạt động bỡnh đẳng với mọi hướng giú nờn hiệu qủa cao hơn, cú cấu tạo đơn giản cỏc bộ phận đều cú kớch thước khụng quỏ lớn nờn vận chuyển và lắp rỏp dễ dàng, độ bền cao duy tu bảo dưỡng đơn giản. Hiện cú cỏc loại mỏy phỏt phong điện với cụng suất rất khỏc nhau, từ 1kW tới hàng chục ngàn kW. Cỏc trạm phong điện cú thể hoạt động độc lập hoặc cũng cú thể nối với mạng điện quốc gia. Cỏc trạm độc lập cần cú một bộ nạp, bộ ắc quy và bộ chuyển đổi điện. Khi dựng khụng hết điện được tớch trữ vào ắc quy. Khi khụng cú giú sẽ sử dụng điện phỏt ra từ ắc - quy. Cỏc trạm nối với mạng điện quốc gia thỡ khụng cần bộ nạp và ắc quy.
Cỏc trạm phong điện cú thể phỏt điện khi tốc độ giú từ 3 m/s (11 km/h) và tự ngừng phỏt điện khi tốc độ giú vượt quỏ 25 m/s (90 km/h). Tốc độ giú hiệu qủa từ nhất là 10 m/s tới 17 m/s, tựy theo từng thiết bị phong điện. [4, 6, 7]
Hỡnh 2.1:Mụ hỡnh tiờu biểu của trạm phỏt điện dựng năng lượng giú
Blades: Cỏnh tua bin giú
Rotor: Rotor của tua bin giú bao gồm cỏc cỏnh quạt và trục.
Pitch: Cỏnh giú được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ của rotor. Cỏnh được tiện hoặc làm nghiờng một ớt để giữ cho rotor quay trong giú khụng quỏ cao hay quỏ thấp để tạo ra điện.
Phanh hóm (brake): Phanh dạng đĩa, được dựng như phanh cơ khớ, phanh điện hoặc phanh thủy lực để dừng rotor trong cỏc tỡnh huống khẩn cấp bằng điện bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
Trong suốt giai đoạn tốc độ giú quỏ cao, tua bin giú sẽ ngừng hoạt động để bảo đảm an toàn.
Tương tự, trong trường hợp lưới điện bị sự cố hoặc mỏy phỏt khụng liờn kết được với phụ tải thỡ tua bin giú sẽ tăng tốc nhanh chúng, việc này dẫn đến tua bin sẽ quay quỏ tốc độ cho phộp trong vài dõy.
Xột vớ dụ như sau, tốc độ định mức của tua bin là 34 vũng/phỳt nhưng dưới điều kiện quỏ tốc tua bin giú quay với tốc độ 90 vũng/phỳt trong khoảng 5 giõy.
Hỡnh 2.3:Đặc tuyến rotor quay quỏ tốc độ
Cỏc tua bin giú khụng được thiết kế chịu đựng tốc độ qỳa cao. Như vậy, cần cú cỏc thiết bị hóm tốc độ để đảm bảo an toàn cho tua bin. [22, 23, 24]
Low-speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
Hộp số (gear box): Hộp số được đặt giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao để gia tăng tốc độ quay từ khoảng 20 đến 60 vũng/phỳt lờn khoảng 1200 đến 1500 vũng/phỳt, đõy là tốc độ quay mà hầu hết cỏc mỏy phỏt cần để sản sinh ra điện năng. Tốc độ quay là yờu cầu của hầu hết cỏc mỏy phỏt để sản xuất ra điện. Bộ bỏnh răng này rất đắt tiền và là một phần của động cơ và tua bin giú, cỏc mỏy phỏt cú tốc độ thấp hơn thỡ khụng cần bộ này.
năng xoay chiều.
Controller: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ giú khoảng 8 đến 16 dặm/ 1 giờ và tắt động cơ ở tốc độ khoảng 65 dặm/ 1 giờ
Bộ đo tốc độ giú (anemometer): Đo tốc độ giú rồi chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển.
Chong chúng giú (Wine vane): Phỏt hiện hướng giú và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tua bin phản ứng phự hợp với tốc độ giú cụ thể.
Nacelle: Vỏ của tua bin giú bao gồm: Rotor của tua bin giú và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trờn đỉnh trụ. Vỏ được sử dụng để bảo vệ cỏc chi tiết trong vỏ.
High-speed shaft: Trục truyền động của mỏy phỏt ở tốc độ cao.
Yaw drive: Cú hai chức năng. Khi tốc độ giú nhỏ hơn tốc độ giới hạn theo thiết kế giữ cho rotor đối diện với nguồn giú khi hướng giú thay đổi. Nhưng khi tốc độ giú vượt qua giới hạn theo thiết kế đặc biệt là khi cú giú bóo, Yaw dịch Rotor ra khỏi hướng bóo.
Yaw motor: Động cơ hỗ trợ truyền động trệch giỳp tua bin xoay theo hướng giú.
Thỏp (tower): Thỏp được làm từ thộp phiến hoặc cỏc thanh thộp bắt chộo nhau với kết cấu vững vàng và chịu va đập cơ học, ăn mũn và cú tớnh đàn hồi hợp lý. Tốc độ giú tỷ lệ với độ cao nờn thỏp càng cao thỡ tua bin càng lấy được nhiều năng lượng và sản sinh ra được càng nhiều điện năng. Tốc độ giú tăng ở trờn cao nờn tua bin được gắn trờn thỏp cao giỳp cho tua bin sản xuất được nhiều điện. Một nguyờn tắc chung là lắp đặt một tua bin giú trờn thỏp với đỏy của rotor cỏch cỏc vật cản trở tối thiểu 9m, nằm trong phạm vi đường kớnh 90m của thỏp. Số tiền đầu tư tương đối ớt trong việc tăng chiều cao của thỏp cú thể đem lại lợi ớch lớn trong sản xuất điện. Vớ dụ, để tăng chiều cao thỏp từ 18m lờn 33m cho mỏy phỏt 10kW sẽ tăng tổng chi phớ cho hệ thống 10% nhưng cú thể tăng lượng điện sản xuất 29%.
Hỡnh 2.4: Cấu tạo bờn trong của một số tua bin giú trong thực tế
Hỡnh 2.5: Một trạm phong điện trong thực tế
Cú 2 loại thỏp cơ bản: Loại tự đứng và loại giăng cỏp. Hầu hết hệ thống điện giú cho hộ gia đỡnh thường sử dụng loại giăng cỏp. Thỏp loại giăng cỏp cú giỏ rẻ hơn, cú thể bao gồm cỏc phần giàn khung, ống và cỏp. Cỏc hệ thống treo dễ lắp đặt hơn hệ thống tự đứng. Tuy nhiờn do bỏn kớnh treo phải bằng 1 2⁄ hoặc 3 4⁄ chiều
cao thỏp nờn hệ thống treo cần đủ chỗ trống để lắp đặt. Mặc dự loại thỏp cú thể nghiờng xuống được cú giỏ đắt hơn nhưng lại giỳp cho khỏch hàng dễ bảo trỡ trong trường hợp cỏc tua bin nhẹ thường là 5kW hoặc nhỏ hơn.
Hệ thống thỏp cú thể nghiờng xuống được cũng cú thể hạ thấp xuống mặt đất khi thời tiết xấu như bóo. Thỏp nhụm dễ bị góy và nờn trỏnh sử dụng, khụng khuyến khớch gắn tua bin trờn núc mỏi nhà. Tất cả cỏc tua bin đều rung và chuyển lực rung đến kết cấu mà tua bin gắn vào, điều này cú thể tạo ra tiếng ồn và ảnh hưởng đến kết cấu nhà và mỏi nhà cú thể tạo ra luồng xoỏy lớn làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của tua bin.
2.1.3. Tua bin– cỏnh quạt
Hiện nay, thực tế cú rất nhiều loại tua bin giú và mỗi loại cú nhiều kớch thước khỏc nhau. Thụng thường người ta chia làm hai dạng chớnh:
a. Tua bin cú trục nằm ngang. b. Tua bin cú trục nằm dọc.
Hầu hết cỏc tua bin giú hiện nay đang được sử dụng cú dạng trục nằm ngang, kớch thước của tua bin giú cú quan hệ trực tiếp với cụng suất của tua bin. Hệ thống cỏnh của tua bin giú được thiết kế để bắt nhiều năng lượng hơn từ giú. Chỳng được làm từ nguyờn liệu tổng hợp cho phộp cú thể chịu được những cơn giú lớn, cú cường độ cao hướng giú cú thể thay đổi tức thời hoặc giú xoỏy, hỡnh dỏng được thiết kế dạng khớ động học phự hợp với cỏc quỏ trỡnh quay, chuyển động và dừng khẩn cấp trong cỏc trường hợp đặc biệt nhờ một hệ thống phanh hóm thụng qua cỏc hệ thống điều khiển.
2.1.3.1. Tua bin giú trục đứng và trục ngang
Cú nhiều kiểu thiết kế khỏc nhau cho tua bin giú và được phõn làm hai loại cơ bản chớnh: Tua bin giú trục ngang (HAWT) và tua bin giú trục đứng (VAWT). Cỏc cỏnh quạt giú thường cú cỏc dạng hỡnh dỏng: Cỏnh buồm, mỏi chốo, hỡnh chộn đều được dựng để thu năng lượng giú để tạo ra mụmen quay trục tua bin.
Tua bin giú trục ngang (HAWT) cú rotor kiểu chong chúng với trục chớnh nằm ngang. Số lượng cỏnh quạt cú thể thay đổi tuy nhiờn thực tế cho thấy loại 3 cỏnh là cú hiệu suất cao nhất. HAWT cú cỏc thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng giú, cỏnh quạt quay được truyền động thụng qua bộ nhụng và trục. Loại tua bin trục ngang khụng bị ảnh hưởng bởi sự xỏo trộn luồng khớ (khớ động học) nhưng yờu cầu phải cú một hệ thống điều chỉnh hướng giú bằng cơ khớ để đảm bảo cỏc cỏnh quạt luụn luụn hướng thẳng gúc với chiều giú.
Tua bin giú trục đứng (VAWT) cú cỏnh nằm dọc theo trục chớnh đứng. Loại này khụng cần phải điều chỉnh cỏnh quạt theo hướng giú và cú thể hoạt động ở bất
kỳ hướng giú nào. Việc duy tu bảo quản và duy trỡ vận hành rất dễ dàng vỡ cỏc bộ phận chớnh như mỏy phỏt, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trờn mặt đất. Tuy nhiờn nú cần cú khụng gian rộng hơn cho cỏc dõy chằng chống đỡ hệ thống.
Hỡnh 2.6:Cấu tạo tua bin trục đứng và trục ngang. 1.Chiều giú đến của HAWT
2. Đường kớnh rotor 3. Chiều cao của Hub 4. Cỏnh rotor
5. Hộp số
6. Mỏy phỏt
7. Vỏ
8. Thỏp HAWT
9.Chiều giú phớa sau rotor
10. Chiều cao rotor
11. Thỏp VAWT
12. Độ cao kớnh xớch đạo 13. Cỏnh rotor với gúc bước cố định.
14. Nền rotor
2.1.3.2. Cỏc kiểu Tua bin giú trục đứng
Savonius, kiểu dựng lực đẩy
Loại dựng lực đẩy làm việc theo nguyờn tắc chõn vịt tàu. Nếu giữa cỏnh chõn vịt và nước khụng cú sự chảy qua thỡ vận tốc cực đại đạt được bằng với vận tốc tiếp uyến của cỏnh quạt. Tương tự tua bin giú trục đứng kiểu đẩy vận tốc tại đầu cỏnh quạt đụi khi cú thể vượt quỏ vận tốc giú.
Cỏc kiểu VAWT dựng nguyờn tắc lực đẩy trước đõy đó từng được sử dụng bằng cỏch dựng cỏc tấm dẹp bằng kim loại hay gỗ, cỏc vật hỡnh cốc hay thựng phuy... để
làm vật đẩy. Rotor Savonius là rotor cú mặt cắt ngang hỡnh chữ S, chủ yếu dựa vào lực đẩy nhưng cũng sử dụng một phần nhất định lực nõng khớ động học. Được tạo ra tại Phần Lan, loại VAWT dựng lực đẩy cú mụmen khởi động lớn nhưng vận tốc quay nhỏ, trong khi loại lực nõng thỡ ngược lại. Hơn nữa cụng suất ngừ ra so với tỷ số trọng lượng thỡ nhỏ. Bởi vỡ ở vận tốc thấp nờn được đỏnh giỏ là khụng phự hợp để phỏt điện mặc dự cũng cú thể làm được nếu dựng bộ nhụng truyền động để tăng tốc lờn. Cỏc cối xay giú dựa vào lực đẩy thỡ cú nhiều ứng dụng hữu ớch như xay ngũ cốc hay bơm nước... Một thuận lợi chớnh của tua bin giú trục đứng dựng lực đẩy là nú cú thể tự khởi động được, trong khi loại VAWT dựng lực nõng thỡ khụng. [22]
Hỡnh 2.7:Rotor Savonius cú mặt cắt ngang hỡnh chữ S
Darrieus, VAWT dựng lực nõng
Hỡnh 2.8:Nguyờn lý khớ động học của cỏnh mỏy bay
Kiểu lực nõng làm việc theo lý thuyết khớ động học của cỏnh mỏy bay. Cỏc cỏnh rotor cú mặt cắt ngang được thiết kế theo kiểu cỏnh mỏy bay sao cho quóng
đường mà giú lướt qua mặt cỏnh ở mặt này thỡ dài hơn quóng đường ở mặt kia như hỡnh 2.8, do đú vận tốc giú ở hai mặt cỏnh khỏc nhau. Áp dụng đẳng thức Bernoulli, ta cú thể thấy vận tốc khỏc nhau tạo ra cỏc lực khỏc nhau lực này làm đẩy cỏnh rotor xoay khi giú thổi qua.
VAWT kiểu Darrieus đầu tiờn được thiết kế dựa trờn lực nõng. Chiếc mỏy cú đặc điểm là rotor cú dạng hỡnh chữ C như hỡnh 2.9, loại này giống một cỏi mỏy đỏnh trứng. Dạng này thường được thiết kế với rotor cú hai hay ba cỏnh. Cú mụmen khởi động thấp nhưng khi quay rồi thỡ cú vận tốc quay lớn, do đú nú thớch hợp khi nối với mỏy phỏt đồng bộ.
Với cựng kớch thước, trọng lượng và giỏ thành thỡ cụng suất ngừ ra sẽ lớn hơn loại tua bin giú trục đứng kiểu đẩy. Khi hũa vào lưới điện trở ngại này cú thể được khắc phục bằng cỏch. Ban đầu mỏy phỏt được coi như một động cơ nhận dũng từ lưới điện khi động cơ đạt đến vận tốc phỏt điện, vận tốc tại đỉnh cỏnh quạt bằng vận tốc giú thỡ nú đổi vai trũ thành mỏy phỏt để phỏt điện lờn lưới. Đối với trường hợp hoạt động độc lập thỡ rotor Darrieus cú thể kết hợp với một rotor Savonius cú cựng kớch thước để tạo mụmen khởi động.
Hỡnh 2.9:VAWT kiểu Darrieus, rotor cú dạng hỡnh chữ C
Nếu xột ở gúc độ cỏnh quạt thỡ sự chuyển động trũn của cỏnh quạt sẽ hướng cỏnh quạt về phớa đầu giú nếu gúc tới của giú và cỏnh quạt lớn hơn 0, thỡ thành phần
đẩy của lực nõng sẽ làm quay tua bin. Gúc tới thay đổi theo hướng quay từ - 200 đến 200 và khụng được vượt quỏ 200 khi gúc lớn hơn 200 thỡ luồng khớ thổi dọc theo cỏnh quạt khụng cũn tạo thành lớp khớ để tạo một lực nõng cỏnh quạt lờn (điều kiện tiờn quyết của tua bin loại này) gõy xỏo trộn và làmtua bin ngưng hoạt động.
Nếu gúc tới từ 00 đến 200thỡ cỏnh quạt dễ dàng đạt tốc độ cao tuy nhiờn khụng thể tự khởi động được đõy là đặc điểm của tua bin Darrieus. Do đú phải quay đến một tốc độ đủ lớn để nú tự hoạt động. Tua bin Darrieus nguyờn thủy cú một số bất lợi như: Độ dao động lớn làm hư cỏnh quạt gõy ồn, hiệu suất thấp chớnh vỡ vậy đó làm hạn chế sự thành cụng. Cỏc loại tua bin giú trục đứng là loại phổ biến cú 2 hay 3 cỏnh quạt. Tua bin giú 3 cỏnh quạt hoạt động theo chiều giú với bờ mặt cỏnh quạt hướng vào chiều giú đang thổi. Ngày nay tua bin giú 3 cỏnh quạt được sử dụng rộng rói.
2.1.4. Trạm điều khiển
Hệ thống giỳp cho điều khiển tua bin thay đổi theo những điều kiện giú liờn tục tối ưu húa sức mạnh sản sinh năng lượng trong khi tối giản làm hư hại. Hệ thống điều khiển thực hiện việc điều khiển gúc cỏnh bằng bỏnh răng đõy là hệ thống điều khiển cụng suất, hệ thống này thực hiện việc so sỏnh cụng suất của mỏy phỏt ra và năng lượng thực cú của giú tại thời điểm đú để điều chỉnh gúc của cỏnh nhằm tận dụng được tối đa năng lượng giú cho việc phỏt điện.
Bỏnh răng quay gúc cỏnh thường được điều khiển bằng hệ thống điều khiển điện– thủy lực. Hệ thống này cú nhiều ưu điểm: Chớnh xỏc, mạnh, đơn giản. Việc điều chỉnh chớnh xỏc gúc cỏnh mang lại hiệu quả cao về khai thỏc tốt về kỹ thuật và an toàn trong sử dụng.
Bộ điều chỉnh gúc cỏnh bằng bỏnh răng cũn sử dụng như là một hệ thống phanh hóm thụng thường, cỏc van khuếch đại sẽ quay cỏnh đến 880 (vị trớ quay ngửa ra) với tốc độ 5,7m/s ở chế độ hóm khẩn cấp hệ thống thủy lực này sẽ sử dụng thờm cỏc van khuếch đại khỏc để quay cỏnh đến vị trớ cỏnh quay ngửa ra với tốc độ
15m/s.
Cỏc tua bin giú truyền thống thường vận hành theo chế độ “ dừng – điều khiển” và làm việc ở tốc độ hoặc gần tốc độ quay cố định của giú. Giống như tất cả cỏc tua bin, cỏc cỏnh quạt cần một tốc độ giú tối thiểu để sản xuất điện năng và dừng ngay nếu tốc độ giú vượt quỏ giỏ trị giới hạn. Vớ dụ đối với động cơ giú 150 kW tốc độ giú tại đú cỏnh quạt cú thể vận hành vào khoảng 5 – 25 m/s.
2.1.5. Rotor tua bin
Rotor loại trục ngang cú 3 cỏnh cụng suất phỏt được điều khiển bằng bộ điều