Wind direction
1.3.5 Các phương pháp điều khiển tua – bin gió
Có nhiều phương pháp điều khiển WT khác nhau, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm và ứng dụng cụ thể khác nhau, điển hình là 4 phương pháp sau đây: Pitch Angle Control, Stall Control, Power Electronic Control,Yaw Control.
Như đã nói ở trên, chúng ta biết nguyên tắc khí động học của tua – bin tương tự như của máy bay. Cánh quạt quay được trong gió là do khối khí thổi qua bề mặt mà
không tiếp xúc trực tiếp nhanh hơn ở bề mặt tiếp xúc trực tiếp với gió. Nhờ đó tạo nên lực nâng cánh quạt kéo nó quay. Góc tiếp xúc là một đại lượng quan trọng để xác định lực và momen xoắn được tạo ra. Do đó, nó có ảnh hưởng đến việc điều khiển năng lượng khai thác được. Chúng ta có 3 phương pháp khí động học để điều khiển được năng lượng thu được từ các tua – bin lớn: Passive Stall, Active Stall và Pitch.
Passive Stall Control: trong phương pháp điều khiển Passive Stall, các cánh quạt
của tua – bin được cố định trên trục của rotor góc tiếp xúc tối ưu (định mức). Khi tốc độ gió dưới hoặc bằng tốc độ định mức, cánh quạt tua – bin với góc tiếp xúc tối ưu sẽ khai thác được tối đa năng lượng từ gió. Với tốc độ vượt quá tốc độ định mức, gió mạnh sẽ làm sự mất cân bằng ở bề mặt mà không tiếp xúc trực tiếp với gió. Kết quả là lực nâng sẽ giảm và thậm chí có thể bị triệt tiêu nếu như tốc độ gió tiếp tục tăng, làm chậm tốc độ quay của cánh quạt. Hiện tượng này gọi là Stall. Hiện tượng Stall không có lợi trong hàng không, nhưng nó lại là một phương pháp hữu ích để giới hạn năng lượng khai thác để bảo vệ tua – bin.
Hình 1.16 Nguyên lý của phương pháp điều khiển Passive Stall
Hình 1.16 mô tả nguyên lý của điều khiển bằng phương pháp Passive Stall, trong đó lực nâng sinh ra từ tốc độ gió cao hơn tốc độ định mức được gọi là Fw,stall, nhỏ hơn lực nâng định mức Fw,rate. Cánh quạt cần phải được thiết kế có đặc tính khí động đảm bảo hiện tượng Stall chỉ diễn ra khi tốc độ gió vượt quá tốc độ định mức. Để đảm bảo rằng cánh quạt xảy ra hiện tượng Stall một cách từ từ mà không đột ngột, các cánh
quạt tua – bin lớn thường được xoắn dọc theo trục dọc một vài độ. Điều khiển bằng phương pháp Passive Stall không cần cơ chế Pitch phức tạp, nhưng cánh quạt yêu cầu thiết kế phức tạp. Passive Stall không thể giữ cho năng lượng khai thác được PM ở một giá trị không đổi được, công suất thu được có khi sẽ vượt qua công suất điện mức ở một số tốc độ gió.
Active Stall Control: Trong tua – bin sử dụng phương pháp Active Stall, hiện
tượng Stall có thể diễn ra không chỉ ở tốc độ gió lớn, mà còn có tăng góc α của cánh quạt. Vì thế, Active Stall tua – bin có cánh quạt điều chỉnh bằng cơ chế điều khiển Pitch. Khi tốc độ gió vượt qua vượt qua giá trị định mức, cánh quạt được điều chỉnh để giảm công suất khai thác. Công suất gió có thể giữ được ở mức độ trung bình bằng cách điều chỉnh góc α.
Hình 1.17 Nguyên lý của phương pháp điều khiển Active Stall
Hình 1.17 mô tả nguyên lý hoạt động của Active Stall. Khi cánh quạt được mở hoàn toàn trước gió thì cánh quạt sẽ mất sự tương tác với gió và làm cho rotor dừng lại. Cơ chế vận hành này được sử dụng khi mà tốc độ gió lớn hơn tốc độ Cut – out để dừng tua – bin và bảo vệ chúng khỏi bị hỏng. Với cơ chế điều khiển Active Stall,
chúng ta có thể giữ được năng lượng thu được luôn ở định mức cho dù tốc độ gió có tăng vượt quá tốc độ định mức. Active Stall có thể điều khiển cho tua – bin lên đến khoảng vài MW.
Pitch Control: Tương tự như cơ chế của Active Stall, cơ chế điều khiển Pitch của tua – bin gió cũng điều chỉnh cánh quạt dọc theo trục của nó. Khi tốc gió vượt quá tốc độ định mức, cơ chế Pitch sẽ điều chỉnh làm giảm góc α, xoay phần lưỡi cánh quạ (pitching) dần dần ra khỏi gió. Khi đó áp lực mặt trước và mặt sau của cánh quạt giảm, dẫn đến giảm lực nâng của cánh quạt.
Hình 1.18 Nguyên lý của phương pháp điều khiển góc Pitch
Nguyên lý vận hành của cơ chế Pitch được mô tả như trong hình 1.18. Khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ định mức, cánh quạt được đặt góc α được giữ nguyên ở giá trị tối ưu, gọi là αR. khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ định mức, góc α của cánh quạt sẽ được giảm để làm giảm lực nâng, Fw,pitch. Khi cánh quạt ở chế độ Fully Pitch, khi đó lưỡi của cánh quạt thẳng hàng với vận tốc gió và lực nâng sẽ bị triệt tiêu.
Cả 2 phương pháp điều khiển Pitch và Active Stall đều dựa trên hoạt động xoay của cánh quạt nhưng điều khiển góc Pitch thì xoay cánh quạt để phần lưỡi dần dần ra khỏi gió, từ đó làm giảm lực nâng, trong khi phương pháp Active Stall lại điều chỉnh
phần lưỡi cánh quạt đối diện với hướng gió để gây ra sự mất cân bằng từ đó làm giảm lực nâng.
Hình 1.19 mô tả các đặc tính công suất của 3 phương pháp điều khiển tua – bin gió đã trình bày ở phần trên. Công nghệ Passive Stall thường được sử dụng trong các tua – bin tốc độ không đổi giai đoạn đầu. Công nghệ này được phát triển thành công nghệ Active Stall. Hệ thống điều khiển góc Pitch đáp ứng nhanh hơn hệ thống Active Stall và khả năng điều khiển tốt hơn. Hiện nay đa số các tua – bin đều được sử dụng hệ thống điều khiển góc Pitch.
Hình 1.19 Đặc tính công suất của các phương pháp điều khiển tua – bin gió