Hiện nay, công nghệ điện gió rất phát triển, ngoài các dự án điện gió trên bờ người ta đã đưa điện gió ra ngoài khơi xa.
Dù là điện gió trên bờ hay ngoài khơi, công nghệ điện gió hiện nay có thể chia thành 2 nhóm chính là tua-bin gió trục ngang và tua-bin gió trục thẳng đứng.
a) Tua-bin gió trục ngang (HAWT- Horizontal Axis Wind Turbine) *) Cấu tạo chung (Hình 2.10 và hình 2.11)
Tua-bin trục ngang truyền thống bao gồm các phần:
- Trục rotor chính: Rotor là bộ phận chiếm 20% chi phí của tua-bin gió, bao gồm các cánh quạt để chuyển năng lượng gió thành chuyển động quay tròn với vận tốc thấp hơn.
- Bộ phận phát điện, thường chiếm 34% chi phí tua-bin, bao gồm máy phát điện, bộ điều khiển điện (control electronics) và bộ phận hộp số để chuyển chuyển động quay tốc độ nhỏ đầu vào thành chuyển động quay tốc độ cao đủ để phát điện
- Thành phần xây dựng hỗ trợ (structural support component), chiếm 15% chi phí lắp tua-bin, bao gồm tháp, bộ phận truyền chuyển động (yaw mechanism).
Các tua-bin nhỏ được định hướng bằng van gió đơn giản, trong khi đó tua- bin lớn thường sử dụng các cảm biến gió (wind sensor) đi kèm với các motor phụ.
41
Và chúng đều có hộp số để chuyển các chuyển động quay chậm của cánh quạt thành chuyển động quay nhanh hơn đáp ứng với điều kiện đầu vào của bộ phận phát điện.
Do tháp gió sản sinh nhiễu loạn ngay sau nó, nên tua-bin thường hướng thẳng vào chiều gió đang thổi vào tháp (upwind – gió nghịch). Cánh quạt được làm bằng vật liệu rất cứng để không bị va vào tháp khi có gió mạnh. Ngoài ra, các cánh quạt được đặt ở các vị trí khác xa với tháp và hơi nghiêng về phía gió.
Hinh 2.10. Cấu tạo tuabin gió trục ngang Cấu tạo tuabine gió trục ngang gồm các thành phần sau đây:
1. Blades: Cánh quạt gió tuabine, tốc độ gió làm cánh quạt quay và tạo nên chuyển động quay.
2. Rotor: Gồm cánh và trục.
3. Pitch: Bộ điều chỉnh độ nghiêng của cánh quạt để đón gió theo yêu cầu. 1. Cánh quạt 2. Roto 3. Ăn khớp 4. Phanh 5. Trục quay chậm 6. Bánh răng 7. Máy phát 8.Bộ điều khiển 9. Máy đo gió 10. Van gió 11. Vỏ 12. Trục quay nhanh 13. Truyền động 14. Động cơ truyền động 15. Cột tháp tuabin
42
4. Brake: Bộ phanh, dùng để dừng rotor trong trường hợp khẩn thiết bằng máy móc, điện hoặc nước.
5. Low speed shaft: Trục quay chậm, quay với tốc độ ban đầu khi gió tác dụng vào các cánh quạt;
6. Gear box; Hộp số 7. Generator: Máy phát; 8. Controler: Bộ điều khiển;
9. Anemometer: Thiết bị đo tốc độ gió và truyền tốc độ gió tới bộ điều khiển; 10.Wind Vane: Bộ phận xác định hướng gió và truyền tới bộ phận lái nghiêng
để điều khiển hướng của Turbine;
11.Nanelle: Vỏ, phần bao bọc và bảo vệ các thành phần của tuabine dưới tác dụng cơ học từ bên ngoài;
12.Hight – speed shaft: Trục quay nhanh làm quay máy phát;
13.Yaw drive: Hệ thống truyền động, điều chỉnh hướng của tuabine thay đổi phù hợp với hướng gió;
14.Yaw motor: Động cơ truyền động làm xoay Yaw drive; 15.Tower: Cột tháp tuabine.
43
Do nhiễu loạn có tính chu kỳ (lặp lại) có thể dẫn đến hỏng hóc nên hầu hết các tua-bin gió trục ngang là thiết bị gió nghịch. Tuy nhiên, các thiết bị gió thuận (down wind) vẫn được lắp đặt, vì tuy có nhiễu loạn, nhưng chúng không cần các thiết bị bổ sung đề giữ chúng cùng phương với gió, và với gió ở trên cao, các cánh quạt có thể cong lại, làm giảm vùng quét của chúng, chống chịu được với gió.
*) Các loại tua-bin trục ngang
- Quạt gió thế kỷ 12: Có cấu trúc lùn, ít nhất 4 cánh quạt, thường có bản hứng gió bằng gỗ hoặc bằng vải (Hình 2.12), được phát triển ở Châu Âu.
Hình 2.12. Nhà máy điện gió Doesburger, Ede, Hà lan
Những quạt gió này được điều chỉnh để hướng vào gió bằng tay hoặc thông qua quạt hậu, và thường được sử dụng để xay ngũ cốc. Ở Hà Lan, chúng cũng được sử dụng để bơm nước từ vùng đất thấp, và là công cụ để giữ cho vùng đất này luôn khô ráo.
- Quạt gió thế kỷ 19: Quạt gió Eclipse được xây dựng vào những năm 1866 ở Beloit, Wisconsin và sớm thành công bơm nước cho trang trại và bơm đầy các bể chứa đường sắt. Rất nhiều quạt gió này được sản xuất trước khi điện hóa về nông thôn, sau đó vẫn có 1 số lượng nhỏ tiếp tục hoạt động. Điện hóa nông thôn ở Mỹ đã liên kết rất nhiều trang trại xây dựng trạm phát điện tập trung, thay thế các trạm điện gió cá thể của những năm 1950. Chúng cũng được phát triển ở các nước như Nam Phi, Úc…
44
- Tua-bin gió hiện đại: Các tua-bin này được sử dụng trong các trang trại điện gió để sản xuất điện công nghiệp, thường có 3 cánh (tua-bin 2 hoặc 1 cánh quạt ít được sử dụng) và quay về hướng gió bằng mô tơ kiểm soát bởi máy tính (Hình 2.13). Các tua-bin này có tốc độ đầu mút cao, thường cao hơn 320km/h, hiệu suất cao. Tháp bằng thép hình trụ cao từ 60-90m. Cánh quạt quay từ 10-22 vòng/phút. Hộp số thường dùng để tăng tốc độ của máy phát. Tất cả các tua-bin đều có bộ ngắt để tránh hư hỏng khi có gió quá to.
*) Ưu điểm
Bệ tháp cao cho phép tiếp cận gió mạnh hơn, hướng gió hoặc tốc độ gió thay đổi hoặc cả hướng gió và tốc độ gió thay đổi, năng lượng đầu ra lên 34% mỗi khi lên cao 10m.
*) Nhược điểm
- Tháp cao và cánh quạt có thể dài tới 40 - 50m, rất khó vận chuyển chi phí vận chuyển hiện nay có thể bằng 20% chi phí thiết bị;
- HAWT cao nên khó lắp đặt, cần phải có cần trục rất cao, giá thành cao và người vận hành phải có kỹ năng;
- Xây dựng tháp lớn cần phải cung cấp các cánh quạt nặng, hộp số và bộ phận phát điện;
Tua-bin 1 cánh Tua-bin 1 cánh quạt
Tua-bin 2 cánh quạt Tua-bin 3 cánh quạt
45
- Phản xạ từ HAWT cao có thể ảnh hưởng đến các radar gây nhiễu tín hiệu mặc dù đã được lắp bộ lọc khử nhiễu;
- Chiều cao của chúng làm hạn chế tầm nhìn trên diện tích rộng lớn, làm ảnh hưởng đến cảnh quan và đôi khi tạo nên các đối lập cục bộ;
- HAWT cần có thêm bộ phận điều khiển chỉ hướng (yaw control) để quay các cánh quạt và vỏ động cơ về phía gió;
- Để giảm tải trọng mỏi dựa trên các nhiễu loạn, các tua-bin gió thường được đặt cách nhau bằng khoảng cách bằng 5 lần đường kính rotor.
b) Tua-bin gió trục đứng (VAWT- Vertical Axis Wind Turbine)
*) Cấu tạo
Loại tua-bin này có trục rotor chính có phương thẳng đứng. Ưu điểm chính tua-bin này là không cần hướng thẳng vào gió mà vẫn hiệu quả. Ưu điểm này phù hợp với các vị trí mà hướng gió thay đổi rõ rệt.
Với trụ thẳng đứng, máy phát và hộp số có thể đặt gần mặt đất, vì vậy tháp không cần nâng đỡ chúng và dễ dàng hơn cho việc bảo dưỡng. Hạn chế là một số tua-bin sinh ra tiếng động lớn.
Khó có thể đặt tua-bin thẳng đứng trên tháp cao, có nghĩa là chúng thường được lắp ở vị trí gần đế hơn, như mặt đất hoặc nóc các tòa nhà nơi có độ cao thấp, tốc độ gió thấp hơn nên năng lượng thu được thấp hơn.
46
Hình 2.14. Tua-bin Darrieus cao 30 m ở đảo Magdalen (Pháp)
Dòng không khí gần mặt đất và các vật thể khác có thể tạo các dòng nhiễu động, điều này có thể gây ra vấn đề về độ rung, bao gồm tiếng động và hao mòn, có thể làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Nếu độ cao của đòn nóc đặt tháp tua-bin xấp xỉ 50% độ cao của tòa nhà, độ cao này gần tối ưu để năng lượng gió đạt cực đại, nhiễu động gió cực tiểu.
*) Một số loại tua-bin trục đứng
- Tua-bin Darrieus (Hình 2.14) là tua-bin trục đứng mang tên nhà sáng chế Pháp - Georges Jean Marie Darrieus, phát minh ra năm 1931.
- Tua-bin Giromill (Hình 2.15): là 1 loại tua-bin trục đứng, trong đó cánh dài cong theo hình máy đánh trứng của tua-bin Darrieus được thay thế bằng các cánh thẳng, gắn với cột trung tâm.
47
Hình 2.15. Tua-bin Giromill
*) Ưu điểm
Tua-bin loại này ít được sử dụng, thường được đặt ở gần mặt đất, được xây dựng ở những nơi HAWT bị cấm sử dụng, máy phát được đặt gần mặt đất hơn, dễ dàng bảo hành và thay thế các bộ phận, tốc độ khởi động thấp hơn tua-bin trục ngang, chúng thường khởi động tạo điện với tốc độ 6.m.p.h (10km/h), VAWT được đặt gần mặt đất nên có thể tận dụng các vị trí như nóc nhà, đỉnh đồi và ống khói, đường giao thông… những nơi có thể làm tăng vận tốc của gió, VAWT được đặt gần mặt đất để tận dụng các vị trí và ít tạo ra tiếng ồn hơn.
*) Nhược điểm
VAWT phải sử dụng các dây chằng để giữ cho hệ thống đứng yên, đáy chịu toàn bộ trọng lượng của rotor nằm trên trụ. Các dây chằng được nối với đỉnh trụ giảm áp lực hướng xuống mỗi khi gió giật; Với rô-to đặt gần mặt đất, là nơi tốc độ gió thấp hơn do cản trở bề mặt địa hình, VAWT không sản xuất được nhiều điện như HAWT ở cùng độ cao.
48
Các tua-bin trục đứng và ngang đã được đưa ra khai thác gió ngoài khơi với các đặc điểm đã được cải tiến rất nhiều so với tua-bin gió hiện đang lắp đặt trên bờ như:
Tua-bin ở ngoài khơi thường được lắp đặt là tua-bin trục ngang, có kích thước lớn hơn tua-bin trên bờ để đón gió mạnh hơn và tạo ra điện nhiều hơn. Một tua-bin trên bờ hiện nay thông thường được lắp đặt ở độ cao 60-80m và cánh quạt dài 30-40m còn hầu hết các tua-bin ngoài khơi có độ dài và ở độ cao lớn hơn so với mức này.
Tua-bin ngoài khơi có các yêu cầu kỹ thuật mà tua-bin trên bờ không cần đến để có thể chịu được khí hậu khắc nghiệt ngoài khơi. Các cải tiến bao gồm:
- Các tua-bin gió được thiết kế, chế tạo để có thể vận hành trong dải tốc độ gió rộng- từ 3-4 m/s đến 25 m/s tức là khoảng 90 km/h tương đương sức gió bão cấp 9, cấp 10.
- Cột chắc khỏe hơn để chống chọi với sóng gió, bảo vệ máy do không khí biển và các móng màu sáng để tàu thuyền tránh qua lại và để bảo dưỡng. Tua-bin ngoài khơi được sơn chống ăn mòn bên ngoài, các cần trục gắn liền.
- Để giảm tối thiểu các dịch vụ đắt tiền, tua-bin ngoài khơi có hệ thống tra dầu mỡ tự động để bôi trơn các cánh quạt, các hệ thống làm mát, làm ấm để duy trì nhiệt độ của dầu mỡ. Hệ thống bảo vệ nhanh để làm giảm các nguy cơ thiệt hại do dừng đột ngột thường xảy ra trên biển.
Có thể lắp đặt các tua-bin ở các vị trí có độ sâu từ 0 m - 900 m. Dựa vào độ sâu lắp đặt có thể chia thành 2 loại :
+ Tua-bin vùng nước nông (0 m -30 m); + Tua-bin vùng nước sâu (30 m - 900 m).
Kết luận
Hệ thống điện gió thường được ứng dụng cho các phụ tải nhỏ, độc lập ở những nơi vùng sâu vùng xa, hải đảo… nơi mà điện lưới quốc gia khó vươn tới. Đối với Việt nam, có tiềm năng năng lượng gió lớn vì thế cần phải ưu tiên phát triển khai thác nguồn năng lượng này. Để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện như đã nêu trên thì hiện nay trên thế giới sử dụng hai loại tuabin gió: trục đứng
49
và trục ngang. Qua phân tích ưu nhược điểm ở trên của hai loại tuabin này, cũng như đặc điểm riêng của gió nước ta thì hướng nghiên cứu công nghệ tuabin gió trục ngang được ưu tiên lựa chọn, đây là hướng nghiên cứu mới, với hệ thống này sẽ khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống trục ngang như kết cấu nhỏ gọn; điều khiển công suất cho tải một cách độc lập; không phụ thuộc vào hướng gió cũng như ít tiếng ồn có thể lắp đặt được những nơi gần khu dân cư rất phù hợp với điều kiện của nước ta.