2.1.1 Khái quát chung
Hiện nay ở châu Âu sử dụng chủ yếu loại thiết bị WKA với Rotor có 3 cánh quạt. Điều này có thể được giải thích do các yếu tố sau đây:
a) Hiệu suất tác động (Tỷ số giữa công suất hữu ích có thể sử dụng được và công suất chi phí):
Hiệu suất tác động tốt nhất có thể đạt được nhờ vào tốc độ quay nhanh so với tốc độ quay chậm
b) Về mặt lý thuyết thì hiệu suất tác động tăng lên cùng với số cánh quạt. Nếu như tăng số cánh quạt từ 2 lên 3 thì hiệu suất tác động sẽ tăng lên vào khoảng 3 đến 4 %. Tuy nhiên nếu tăng số cánh quạt lên 4 thì hiệu suất tác động chỉ tăng tiếp tục tăng lên từ 1 đến 2 %.
c) Chi phí cho cánh quạt cũng là một trong những yếu tố chi phí quyết định liên quan đến chi phí đầu tư cũng như chi phí vận hành. Đối với các thiết bị WKA có 3 cánh quạt thì chi phi đầu tư cho cánh quạt chiếm vào khoảng 20 đến 30% chi phí cho toàn bộ thiết bị. Vì vậy các thiết bị WKA với 3 cánh quạt là một sự kết hợp tối ưu giữa hiệu suất tác động và chi phí.
d) Đối với các đặc tính về tải cũng như động học của các thiết bị WKA có 3 cánh quạt thì có thể dễ dàng nhận thấy rằng ở 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. Điều này làm cho người mua yên tâm hơn.
2.1.2 Cánh quạt
Cánh quạt của một thiết bị WKA có công suất từ 2,0 đến 3,0 MW thường có chiều dài 40 m x 50 m. Những cánh quạt này ở mỗi vòng quay sẽ chịu những tải trọng rất khác nhau phụ thuộc vào vận tốc gió. Đối với một thiết bị WKA có chiều cao trục quay là 125 m, đường kính rotor vào cỡ 90 m thì vận tốc gió ở các đỉnh cánh quạt phía trên có thể đạt tới 7,6 đến 7,8 m/s và vận tốc gió ở các đỉnh cánh quạt phía dưới có thể đạt tới 5,4 đến 5,6 m/s. Do công suất tỷ lệ với vận tốc gió lập phương nên phần công suất ứng với các đỉnh cánh quạt phía trên là 650 kW trong khi phần công suất ứng với các đỉnh cánh quạt phía dưới chỉ là 220 kW.
Cánh quạt được cấu tạo từ 2 phần khung là phần hút và phần đẩy. Những phần này được kết nối với nhau thông qua các thanh nối. Các phần khung này được hỗ trợ bởi các sợi thuỷ tinh hay sợi các bon ở nhiều vị trí và được phủ bởi Polyester hoặc nhựa Epoxid.
Về nguyên tắc đối với mọi thiết bị WKA cần phải có một sự giới hạn về mặt công suất nhằm tránh cho các thiết bị WKA bị quá tải.
Các thiết bị WKA có công suất từ 600 đến 800 kW về mặt nguyên tắc được điều khiển theo kiểu „tự động chòng chành“. Điều này có nghĩa là các cánh quạt được lắp vào trục quay theo một góc nghiêng xác định. Đối với các thiết bị WKA hoạt động theo nguyên tắc điều khiển „tự động chòng chành“ thì các profil của cánh quạt sẽ được thiết kế sao cho trong trường hợp gió quá mạnh thì ở mặt theo hướng gió thổi sẽ xuất hiện sự chuyển động không đều của không khí. Sự chuyển động không đều của không khí này sẽ dần đến hiện tượng chòng chành mất điều khiển vì giảm tốc độ (hiện tượng này cũng xuất hiện trong kỹ thuật hàng không khi máy bay bị giảm tốc độ) của rotor và dẫn đến triệt tiêu được các lực đẩy rotor.
Đối với 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.
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.
2.2 Bộ phận truyền lực
2.2.1 Khái quát chung
Hầu như tất cả các nhà sản xuất thiết bị WKA đều sử dụng một hộp số để có thể chuyển đổi chuyển động quay chậm với moment quay lớn của rotor cho máy phát.
Các thiết bị WKA cỡ lớn (2,0 – 3,0 MW) có tốc độ vòng quay của Rotor vào khoảng 20 vòng một phút. Trong khi đó số vòng quay của máy phát vào cỡ khoảng 1500 vòng/phút.
Bộ phận truyền lực sẽ gồm những bộ phận sau đây: - Hộp số
- Khớp nối - Phanh
- Trục quay nhanh kết nối giữa hộp số và máy phát - Máy phát
Trong lĩnh vực máy phát điện sử dụng năng lượng gió, người ta thường sử dụng hai loại hộp số sau đây.
• Hộp số bánh răng trụ tròn
Ở loại hộp số kiểu này thì một bánh răng lớn được lắp với trục quay chậm sẽ dẫn động một bánh răng nhỏ được lắp với trục quay nhanh. Tỷ số truyền động của cặp bánh răng ăn khớp ở đây nhỏ hơn 1 : 5.
• Hộp số kiểu hành tinh
Hộp số kiểu hành tinh có cấu tạo từ 3 loại bánh răng khác nhau. Một bánh răng có răng phía trong được gắn với trục quay chậm và tạo thành khung bên ngoài. Ở trung tâm là một bánh răng nhỏ đóng vai trò như „mặt trời“ trong hệ mặt trời, bánh răng nhỏ này được nối với trục quay nhanh. Bánh răng có răng phía trong và bánh răng nhỏ trung tâm được nối kết với nhau thông qua rất nhiều bánh răng vệ tinh. Do vậy tỷ số truyền động có thể đạt tới 1 : 12.
Do trong thực tế cần phải có tỷ số truyền động giữa trục quay chậm và trục quay nhanh lên đến 1 : 100 nên hộp số sẽ có cấu tạo từ nhiều cấp truyền khác nhau. Ở những cấp truyền này sẽ sử dụng cả cấp truyền bánh răng trụ cũng như cấp truyền kiểu hành tinh. GE Wind 600 kW Hộp số có 3 cấp truyền bánh răng trụ
GE Wind 1500 kW Hộp số có 3 cấp truyền bánh răng kiểu hành tinh VESTAS 2000 kW Hộp số có 2 cấp truyền bánh răng kiểu hành tinh và 1 cấp truyền kiểu bánh răng trụ
2.2.3 Trục quay chậm
Trục quay chậm làm nhiệm vụ truyền chuyển động quay của Rotor vào hộp số.
2.2.4 Khớp nối
Đối với các thiết bị WKA cỡ nhỏ thì máy phát được nối trực tiếp vào hộp số thông qua trục quay nhanh. Tuy nhiên đối với quá trình truyền lực ở các thiết bị cỡ lớn thì sẽ luôn xuất hiện một sự biến dạng nhất định, chính vì vậy cần phải có một chi tiết kết nối linh động (khớp nối) giữa hộp số và máy phát. Nhờ vào khớp nối này có thể ngăn cản được hiện tượng căng xoắn cũng như các tải trọng bổ xung trong quá trình truyền lực.
2.2.5 Phanh
Các thiết bị WKA có 2 hệ thống phanh hoàn toàn độc lập với nhau. Đối với các thiết bị WKA cỡ lớn thì hệ thống điều chỉnh góc nghiêng của cánh quát đóng vai trò là hệ thống phanh chính. Với sự trợ giúp của hệ thống điều khiển kiểu „Pitch“ như đã trình bày ở trên, thiết bị sẽ được tách ra hoàn toàn khỏi hướng gió thổi.
Ngoài ra ở trên trục quay nhanh của bộ phận truyền lực cũng có một hệ thống phanh đĩa. Hệ thống phanh đĩa này sẽ được kích hoạt trong những trường hợp dừng hoạt động vì an toàn hay vì một lý do khẩn cấp nào đó.
2.2.6 Máy phát
Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học của rotor thành năng lượng điện (Giống như dynamo ở xe đạp). Ở các thiết bị WKA người ta sử dụng cá máy phát đồng bộ lẫn máy phát không đồng bộ. Đối với các thiết bị WKA thì thông thường một dòng điện với hiệu điện từ 490 V đến 690 V sẽ được tạo ra.
2.3 Máy biến thế
Máy biến thế làm nhiệm vụ biến chuyển dòng điện với hiệu điện thế từ 490 V đến 690 V như đã nói ở trên thành một dòng điện cao thế (hiệu điện thế 10 kV cũng như 20 kV). Do vậy sẽ giảm thiệu được sự mất mát điện năng trong quá trình truyền tải điện.
2.4 Các thành phần khác
• Hệ thống quan trắc gió với các trạm khí tượng • Hệ thống chống sét
• Thiết bị dập lửa phòng chống hoả hoạn • CMS (Conditional Monitoring)
• Bộ phận phá băng
• Bộ phận đèn chiếu sang cảnh báo
• Bộ phận ngăn ngừa hiệu ứng “Bóng râm chuyển động” • Bộ phận giám sát từ xa.