2.5.1. Tổng quan phần thiết bị của nhà máy điện gió
a. Rotor:
*Khái quát chung:
Hiện nay rotor 3 cánh quạt đang đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới, điều này do các yếu tố sau đây:
- Hiệu suất: hiệu suất cao hơn các loại khác đối với vận tốc gió từ 3,5m/s trở lên. - Về lý thuyết thì hiệu suất càng tăng lên cùng với số cánh quạt. Nếu nhƣ tăng số cánh quạt từ 2 lên 3 thì hiệu suất sẽ tăng lên vào khoảng 3% đến 4%. Tuy nhiên nếu tăng số cánh quạt lên 4 thì hiệu suất chỉ tăng thêm từ 1% đến 2%.
- Chi phí cho cánh quạt cũng là một trong những yếu tố chi phí quyết định liên quan đến chi phí đầu tƣ cũng nhƣ chi phí vận hành. Đối với loại tuabin có 3 cánh quạt thì chi phí đầu tƣ cho cánh quạt chiếm 20÷30% chi phí cho toàn bộ thiết bị. Vì vậy các loại tuabin với 3 cánh quạt là một sự kết hợp tối ƣu giữa hiệu suất tác động và chi phí.
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 62 KTĐ2009
- Đối với các đặc tính cũng nhƣ động học của các loại tuabin có 3 cánh quạt thì các thiết bị này có một sự phân bố đồng đều hơn về trọng lực cũng nhƣ lực khí động học trên toàn bộ chu vi của rotor.
*Cánh quạt:
Cánh quạt của một tuabin có công suất từ 1,5 đến 2,5 MW thƣờng có chiều dài từ 37m đến 45m. Các cánh quạt này ở mỗi vòng quay sẽ chịu những tải trọng rất khác nhau phụ thuộc vào vận tốc gió. Đối với một tuabin có chiều cao trục quay là 125m, đƣờng kính rotor vào cỡ 90m thì vận tốc gió ở các đỉnh cánh quạt phía trên có thể đạt tới 7,6 đến 7,8m/s và vận tóc gió ở các đỉnh cánh quạt phía dƣới có thể đạt tới 5,4 đến 5,6m/s, cánh quạt đƣợc làm từ nhựa kết hợp với sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon, chịu lực tốt.
Hình 2.6: Ba cánh quạt khổng lồ, mỗi cánh dài 37,5m và nặng 5,5 tấn
*Giới hạn về mặt công suất/ Điều khiển cánh quạt
Đối với mọi tuabin gió cần phải có một sự giới hạn về mặt công suất nhằm tránh cho các thiết bị quá tải.
Đối với các rotor có cánh quạt điều khiển theo kiểu góc nhỏ (Pitch) thì vị trí các cánh quạt có thể đƣợc điều khiển nhờ vào một động cơ ở trục quay. Bộ điều khiển điện tử sẽ đo thƣờng xuyên công suất đầu ra của các thiết bị ở một tải trọng danh nghĩa. Nếu nhƣ giá trị đo quá cao hoặc quá thấp thì các cánh quạt sẽ đƣợc điều khiển quay hƣớng vào hoặc hƣớng ra khỏi hƣớng gió một cách tƣơng ứng.
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 63 KTĐ2009
Thông qua việc điều chỉnh cánh quạt này có thể đảm bảo đƣợc rằng cánh quạt luôn nằm ở một góc đúng đắn hợp lý nhất và do đó có thể đạt đƣợc một sự tối ƣu về lƣợng điện năng tạo ra.
b. Bộ phận truyền lực
*Khái quát chung:
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
*Hộp số:
Trong lĩnh vực máy phát điện sử dụng năng lƣợng gió, ngƣời ta thƣờng sử dụng hai loại hộp số sau đây:
- Hộp số bánh răng trụ tròn:
Ở loại hộp số kiểu này thì một bánh răng đƣợc lớn đƣợc lắp với trục quay chậm sẽ dẫn động một bánh răng nhỏ đƣợc 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 cài răng phía trong đƣợc gắn với trục quay chậm và tạo thành khung bên ngoài. Ở trung tâm là một bánh răng nhỏ đóng vai trò nhƣ “mặt trời” trong hệ mặt trời, bánh răng nhỏ này đƣợc nối với trục quay nhanh. Bánh răng có răng phía trong và bánh răng nhỏ trung tâm đƣợc nối với nhau thông qua 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 nhƣ cấp truyền kiểu hành tinh.
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 64 KTĐ2009
*Trục quay chậm:
Trục quay chậm làm nhiệm vụ truyền chuyển động quay của rotor vào hộp số.
*Khớp nối:
Đối với các tuabin cỡ nhỏ thì máy phát đƣợc 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 đƣợc hiện tƣợng căng xoắn cũng nhƣ các tải trọng bổ xung trong quá trình truyền lực.
*Phanh:
Các tuabin có 2 hệ thống phanh hoàn toàn độc lập với nhau. Hệ thống điều chỉnh góc nghiêng của cánh quạt đóng vai trò là hệ thống phanh chính. Với sự trợ giúp của hệ thống điều khiển kiểu “Pitch” thiết bị sẽ đƣợc tách ra hoàn toàn khỏi hƣớng 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 đƣợc kích hoạt trong những trƣờng hợp dừng hoạt động vì an toàn hay vì một lý do khẩn cấp nào đó.
*Máy phát:
Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lƣợng cơ học của rotor thành năng lƣợng điện, ở các tuabin thƣờng sử dụng máy phát đồng bộ lẫn máy phát không đồng bộ. Đối với các tuabin cỡ công suất từ vài trăm tới vài MW thông thƣờng phát dòng điện AC với hiệu điện thế từ 490V đến 690V.
c. Máy biến thế
Máy biến thế làm nhiệm vụ biến chuyển dòng điện với hiệu điện thế 490V đến 690V lên đến điện thế cao hơn, thông thƣờng là 22kV. Do vậy sẽ giảm đƣợc tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải điện.
d. Các thành phần khác
- Hệ thống quan trắc gió với các cảm biến khí tƣợng. - Hệ thống chống sét.
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 65 KTĐ2009
- Thiết bị dập lửa phòng chống hỏa hoạn - Bộ phận đèn chiếu sáng cảnh báo
- Bộ phận ngăn ngừa hiệu ứng “ Bóng râm chuyển động” - Bộ phận giám sát từ xa
2.5.2. Giải pháp công nghệ và xây dựng
2.5.2.1. Xây dựng móng
Móng tháp do hang bán máy thiết kế trên cơ sở số liệu khoan thăm dò địa chất, kết cấu liên hệ tháp mà móng, tháp và máy dựa theo thiết kế và giám sát của hãng cung cấp máy.
2.5.2.2. Lắp đặt tháp tuabin và tuabin gió
a. Tuabin gió:
Toàn bộ máy phát tuabin gió là thiết bị trọn bộ trong đó bao gồm: Khung vỏ và bệ máy, rotor và cánh, hộp số, máy phát, kết cấu nối khung bệ máy với đầu tháp và cơ cấu vận chuyển theo hƣớng gió cơ cấu điều khiển đo lƣờng tự động, cáp dẫn từ máy xuống chân tháp, hệ thống thang máy và cơ cấu thang trời.
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 66 KTĐ2009 Hình 2.7: Các bộ phận của Tuabin gió
1. Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay.
2. Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
3. Pitch: Bƣớc răng. Cánh đƣợc xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay với tốc độ hợp lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất và bảo vệ cánh quạt, rotor trong điều kiện gió quá lớn.
4. Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nƣớc hoặc bằng động cơ.
5. Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
6. Gear box: Hộp số. Bánh răng đƣợc nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 67 KTĐ2009
độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
7. Generator: Máy phát. Phát ra điện
8. Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tƣơng ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tƣơng đƣơng với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng.
9. Anemometer: Bộ đo lƣờng tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
10. Wind vane: Để xử lý hƣớng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hƣớng tuabin gió.
11. Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ đƣợc dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
12. High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
13. Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hƣớng về hƣớng gió chính khi có sự thay đổi hƣớng gió.
14. Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định đƣợc hƣớng gió.
15. Tower: Trụ đỡ Nacelle. Đƣợc làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằng bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu đƣợc năng lƣợng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
Thiết kế chế tạo tuabin phong điện có 2 loại chủ yếu sau:
- Loại tuabin phong điện có hộp số: là kiểu tuabin truyền thống, hiện tại vẫn chiếm phần lớn thị phần trên thế giới. Loại này đã đƣợc chế tạo, cải tiến nhiều lần đã đạt đến mức hoàn thiện. Tuy nhiên việc chuyển đổi năng lƣợng gió từ tuabin gió qua máy phát điện phải qua hộp số vẫn gây các tổn thất cơ học và độ ồn
- Loại tuabin không có hộp số: Trong những năm gần đây ngƣời ta đã thiết kế và chế tạo và đƣa vào vận hành những tổ máy tuabin phong điện không hộp số, trục
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 68 KTĐ2009
máy phát điện đƣợc nối trực tiếp với trục của tuabin gió. Ngƣời ta đã thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển điện và từ để giải quyết vấn đề tần số và điện áp của máy phát điện. Hiện tại loại máy này còn chiếm thị phần rất nhỏ, nhƣng trong tƣơng lai sẽ có khả năng cạnh tranh với loại máy tuabin gió có hộp số.
- Thông số kỹ thuật của các loại máy: Các loại máy có công suất lớn từ 1MW của các hãng đều đƣợc cải thiện có các chỉ tiêu kỹ thuật tƣơng đƣơng
+ Tuabin khởi động ở tốc độ gió 2-3 m/s (trƣớc đây 4-4,5m/s)
+ Đạt công suất định mức ở tốc độ gió 11,5-13m (trƣớc đây 14-16m/s) + Hệ thống điều khiển cánh đều dùng điều khiển góc nhỏ
+ Các Tuabin gió đều làm việc với chế độ hoàn toàn tự động
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 69 KTĐ2009 Hình 2.9: Tháp phong điện cao 85m, đƣờng kính chân cột trụ 4,2m, đƣờng kính quạt quay 77m, tổng trọng lƣợng một “cối xay gió” phát điện này hơn 250
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 70 KTĐ2009
* Máy phát điện:
- Máy phát điện cho tuabin có hộp số: Đây là loại máy phát điện không đồng bộ thông thƣờng đƣợc nối với trục của tuabin gió thông qua hộp số. Loại này là loại máy truyền thống chiếm đại đa số tuabin gió phát điện hiện đại, đã đƣợc tất cả các hãng sản xuất thời gian dài đã qua nhiều cải tiến hoàn thiện.
- Máy phát điện cho tuabin không hộp số: Đây là loại máy phát điện đồng bộ có cấu tạo đặc biệt làm việc ở số vòng thấp từ 10-20 vòng/phút, đồng bộ đƣợc nối trực tiếp vào trục của tuabin gió, không cần qua hộp số. Máy có 1 hệ thống tự động điều khiển điện - điện tử để giải quyết vấn đề tần số của máy phát điện theo tần số 50 Hz. Những tiến bộ của ngành tự động điều khiển điện – điện tử trong những năm gần đây đã giải quyết tốt nhiệm vụ này. Bỏ qua hộp số, hệ thống tuabin – máy phát phong điện có thể giảm bớt khối lƣợng và số lƣợng chi tiết máy, giảm tiếng ồn, giảm tổn thất cơ học nâng cao hiệu suất của máy. Đây có thể coi là một trong những thay đổi cơ bản trong công nghệ chế tạo máy phong điện. Bộ điều khiển tự động có thể đặt trực tiếp cùng tuabin – máy phát, cũng có thể đặt dƣới chân tháp. Đặc biệt ở khu vực có nhiều tháp gió có thể đặt trong nhà điều khiển chung nhiều tháp. Trƣờng hợp này càng phát huy những ƣu điểm của kiểu máy phát điện gió không hộp số.
* Cánh quạt:
Hiện tại các loại tuabin gió đƣợc các hãng sản xuất chủ yếu dùng trục ngang và có 3 cánh quạt vì loại này có hiệu suất cao hơn loại 1 và loại 2 cánh quạt. Cánh đƣợc nối với thân rotor qua hệ thống ổ bi để đảm bảo cho cánh quạt có thể điều khiển quay linh hoạt theo vận tốc gió và hƣớng gió. Cánh đƣợc làm bằng vật liệu đặc biệt có độ cứng cao và làm giảm xác suất sét đánh. Hệ thống điều khiển cánh quạt của rotor có 2 phƣơng thức điều khiển:
- Điều khiển góc lớn (Stall): chủ yếu dùng cho các máy có công suất nhỏ.
- Điều khiển góc nhỏ (Pitch): hiện đại và phức tạp hơn, chủ yếu dùng cho các máy có công suất lớn.
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 71 KTĐ2009
- Toàn bộ hệ thống chuyển động, máy phát, phanh hãm thiết bị điều khiển đƣợc đặt trên một bệ máy vững chắc. Khung vỏ bọc và bệ máy tạo thành hộp kín, bên trong có hệ thống làm mát, bên ngoài có lớp bảo vệ chống sét bảo vệ thiết bị an toàn trong mọi điều kiên thời tiết.
- Toàn bộ hệ thống thiết bị tuabin máy phát phong điện đƣợc gắn với đầu tháp gió qua hệ thống vòng bi, nó có thể quay quanh trục thẳng đứng theo hƣớng gió nhờ các động cơ điều khiển tự động.
b. Tháp gió:
Theo thiết kế chế tạo của các hãng trên thế giới đa phần thiết kế tháp gió có kết cấu bằng tôn cuốn hình côn, kết cấu bằng phƣơng pháp hàn, kết cấu giữa tháp và bệ móng, các đoạn của máy đều dùng mặt bích và bulông. Tháp sau khi chế tạo đƣợc sơn bằng loại sơn tốt chịu đƣợc môi trƣờng khắc nghiệt, bên trong tháp có trang bị dàn thang leo. Tháp có đƣờng kính lớn hơn, phân làm 3 đoạn có chiều dài tới trên 20m vận chuyển khó khăn tốn kém. Vì vậy chọn phƣơng pháp gia công chế tạo tại các nhà máy, sau đó chở đến hiện trƣờng tổ hợp. Hiện tại, các đơn vị cơ khí và xây lắp của Việt Nam có đủ điều kiện thực hiện chế tạo và xây lắp các loại tháp gió này trên cơ sở thiết kế và giám sát của hãng bán máy phong điện.
HV: Nguyễn Hoàng Sơn 72 KTĐ2009 CHƢƠNG 3
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PHÂN TÍCH DỰ ÁN NĂNG LƢỢNG SẠCH RETSCREEN
3.1. Thông tin mô tả chung
Hình 3.1: Giao diện khởi động phần mềm
Phần mềm Phân tích dự án năng lƣợng sạch RETScreen là phần mềm đƣa ra quyết định về năng lƣợng sạch hàng đầu thế giới. Đây là phần mềm do chính phủ Canada cung cấp khi ý thức là cần phải có một sự tiếp cận tổng hợp để đối phó với sự thay đổi về khí hậu và giảm bớt ô nhiễm. RETScreen đƣợc chứng minh là một công cụ giúp thực hiện các dự án năng lƣợng sạch trên toàn thế giới và đƣợc sử dụng bởi nhiều đối tƣợng liên quan trong một dự án, ví dụ: Nghiên cứu tính khả thi; Đánh