L ỜI NÓI ĐẦU
3.4.3.2. Tốc độ không đổi, góc cắt thay đổi
Chế độ làm việc FS-VP cũng thường được dùng trong các turbine thương mại trong những thập niên trước, đặc biệt với công suất từ trung bình đến cao. Chế độ tốc độ không đổi đồng nghĩa với việc đạt được công suất chuyển đổi tối đa chỉ xảy ra ở một tốc độ gió. Bởi thế, hiệu suất chuyển đổi ở tốc độ gió thấp hơn không thể được tối ưu. Loại turbine này thường được lập trình làm việc với góc cắt không đổi
ở tốc độ gió dưới tốc độ tới hạn. Tuy nhiên, chế độ góc cắt thay đổi có thể có hiệu quả trong việc cải thiện năng lượng thu về. Trong dải tốc độ gió cao hơn, công suất bị giới hạn bởi việc điều chỉnh góc cắt liên tục. Về cơ bản, có 2 phương pháp điều khiển công suất bằng cách điều chỉnh góc cắt, đó là phương pháp pitch-to-feather, và pitch-to-stall. Phương pháp thứ nhất thường được quy về việc điều chỉnh mở hết góc cắt, trong khi phương pháp thứ hai còn được gọi là ngưỡng chủ động, hoặc ngưỡng kết hợp (combi stall). Để tránh hiểu nhầm, ta gọi chúng là phương pháp pitch-to-feather và pitch-to-stall.
Giới hạn công suất bởi phương pháp pitch-to-feather (mở hết góc cắt).
Phương pháp này về cơ bản là thả tự do cánh quạt khi tốc độ gió thay đổi. Bởi vậy, nó dựa trên hiện tượng khí động học, hoàn toàn khác với ngưỡng. Hình 3.16 mô tả phương pháp này. Trong hình 3.16a lực tác dụng lên cánh quạt ở tốc độ gió quanh trục bằng V0 và V1>V0 được thể hiện tương ứng bởi các vector xám và đen. Khi tốc độ gió tăng từ V0 lên V1, góc Φ giữa dòng khí và cánh rotor tăng lên. Hệ quả là, bộ điều khiển làm tăng góc cắt β để giảm góc tới α. Kết quả là hệ số nâng CL sụt giảm trong khi hệ số kéo CD giữ nguyên mức thấp. Có thể cho rằng bộ điều khiển quyết định điều chỉnh lực nâng fL để giữ cho lực tiếp tuyến fr trong mặt phẳng rotor là không đổi. Từ hình vẽ ta cũng thấy, khác hẳn với hiện tượng xảy ra với ngưỡng thụ động, áp lực fT giảm khi tốc độ gió giảm. Vì áp lực sinh ra tải khí động học trong hệ thống, nên đây là một ưu điểm đáng chú ý của phương pháp này. Điểm yếu của phương pháp điều khiển này là đòi hỏi một lỗ lớn để điều khiển do cần phải có sự thay đổi đáng kể của góc cắt để bù lại sự biến động công suất gió.
Hình 3.16: Phương pháp pitch-to-feather giới hạn công suất
a. Lực tác dụng lên thành phần cánh
b. Hệ số kéo và nâng.
Giới hạn công suất bởi phương pháp pitch-to-stall.
Một phương pháp khác với pitch-to-feather là phương pháp pitch-to-stall. Trong phương pháp này, góc cắt được điều chỉnh theo một trái ngược. Trên thực tế, khi tốc độ gió tăng, thay vì làm giảm góc tới α, góc cắt sẽ bị giảm để làm tăng góc α này. Theo đó, góc cắt được chủ động điều chỉnh để tạo ra ngưỡng trên tốc độ gió định mức. Nhờ sự linh hoạt của phương thức điều khiển, phương pháp này thực thi tốt hơn các đặc trưng điều khiển so với ngưỡng thụ động. Hình 3.17 mô tả phương pháp này. Hình 3.17a biểu thị lực tác dụng lên cánh khi tốc độ gió hướng trục là V0 (xám) và V1(đen), với V1>V0 . Góc Φ tăng khi tốc độ gió tăng. Kết quả là góc tới α có xu hướng tăng. Trong phương pháp pitch-to-stall, góc cắt giảm để góc tới tăng,
do đó làm tăng cường ngưỡng. Lực nâng giảm trong khi lực kéo tăng đột ngột. Sự kết hợp của những lực này sinh ra một lực không đổi trong mặt chiếu rotor, do đó duy trì công suất khí động lực ở giá trị định mức. Điểm yếu của phương pháp này là, giống như mọi phương pháp khác dựa trên ngưỡng, đó là khi turbine tiến đến ngưỡng, áp lực sẽ tăng mạnh, dẫn đến làm tăng tải khí động lực. Điều thú vị là, phương pháp này đòi hỏi một nỗ lực điều khiển nhỏ đến điều chỉnh công suất. Một điều đáng chú ý là không cần phải điều khiển để đạt tới điểm giao giữa đường hyperbol công suất định mức và ngưỡng. Điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ tự do hơn trong việc lựa chọn thiết kế tỉ số truyền động.
Hình 3.17: Phương pháp pitch-to-stall giới hạn công suất.
a. Lực tác dụng lên thành phần cánh
b. Hệ số kéo và nâng.
Phương pháp điều khiển cơ bản.
Hình 3.18 mô tả phương pháp điều khiển pitch-to-feather cơ bản cho turbine FS-VP. Trên đó cũng biểu diễn đặc tính momen khí động học ở những tốc độ gió
khác nhau trong đường bao hoạt động với góc tới là một tham số. Dưới tốc độ gió định mức, phương pháp điều khiển giống với phương pháp FS-FP đã được đề cập ở mục 3.4.3.1. Đó là, turbine làm việc ở những điểm trên dải FD. Trên tốc độ gió định mức, bộ điều khiển sẽ quyết định góc tới để điều chỉnh công suất khí động học ở giá trị định mức. Ví dụ turbine sẽ được lập trình để làm việc ở điểm D. Có thể thấy trên hình đặc tính momen khí động học được điều chỉnh thế nào để nó đi qua điểm D này. Trong trường hợp của phương pháp pitch-to-stall, các đường cong cũng đi qua điểm D, nhưng các đặc tính momen khí động học có dạng khác, do ngưỡng bị dịch chuyển sang phải khi tốc độ gió tăng.
Hình 3.18: Phương pháp điều khiển cơ bản FS-VP (pitch-to-feather).
Hình 3.19 cho thấy các đặc điểm của phương pháp điều khiển đối với các turbine FS-VP. Chú ý sự tương đồng với hình 3.18, ta thấy điểm làm việc trong mặt phẳng momen-tốc độ là giống nhau bất kể phương pháp điều khiển là pitch-to-feather hay pitch-to-stall, bởi vậy hình 3.19 có giá trị ở cả 2 trường hợp. Hình 3.19a so sánh sự khác nhau giữa đường cong công suất lý tưởng và thực tế, hình 3.19b biểu thị quan hệ hiệu suất chuyển đổi-tốc độ gió. Ở tốc độ gió dưới định mức, đường cong công
suất thực tế tương tự như ở phương pháp FS-FP được trình bày ở hình 3.15. Mặc dù hiệu suất chuyển đổi cực đại chỉ đạt được ở tốc độ gió VE, các turbine VP được thiết kế để có hiệu suất chuyển đổi gần với tối ưu nhất trong dải tốc độ gió dưới VN. Trên tốc độ gió định mức, việc thực hiện điều chỉnh công suất lý tưởng không liên quan gì đến sự điều chỉnh góc cắt. Đó là do đường cong công suất thực tế và lý tưởng trùng với nhau. Trên hình 3.19b thể hiện hệ số công suất được hình thành thế nào để phù hợp với đường cong công suất lý tưởng trên hình 3.19a.
Hình 3.19: Phương pháp điều khiển FS pitch-to-feather và pitch-to-stall. a. Công suất đầu ra
b. Quan hệ hệ số công suất-tốc độ gió.