Tự động ổn định tần số mỏy phỏt giú

1.2.2.1. Khỏi niệm về năng lượng giú:

Giú là một dạng của năng lƣợng mặt trời. Giú đƣợc sinh ra là do nguyờn nhõn mặt trời đốt núng khí quyển, do trỏi đất xoay quanh mặt trời và do sự khụng đồng đều trờn bề mặt trỏi đất. Luồng giú thay đổi tuỳ thuộc vào địa hỡnh trỏi đất, luồng nƣớc, cõy cối, con ngƣời sử dụng luồng giú hoặc sự chuyển động năng lƣợng cho nhiều mục đích nhƣ: đi thuyền, thả diều và phỏt điện.

Năng lƣợng giú đƣợc mụ tả nhƣ một quỏ trỡnh, nú đƣợc sử dụng để phỏt ra năng lƣợng cơ hoặc điện. Tuabin giú sẽ chuyển đổi từ động lực của giú thành năng

lƣợng cơ. Năng lƣợng cơ này cú thể sử dụng cho những cụng việc cụ thể nhƣ là bơm nƣớc hoặc cỏc mỏy nghiền lƣơng thực hoặc cho một mỏy phỏt cú thể chuyển đổi từ năng lƣợng cơ thành năng lƣợng điện

2.2.2.2.Cấu tạo của hệ điều khiển tuabin giú:

Bao gồm cỏc phần chính sau đõy

- Anemometer: Bộ đo lƣờng tốc độ giú và truyền dữ liệu tốc độ giú tới bộ

điều khiển.

- Blades: Cỏnh quạt. Giú thổi qua cỏc cỏnh quạt và là nguyờn nhõn làm cho

cỏc cỏnh quạt chuyển động và quay.

- Brake: Bộ hóm (phanh). Dựng để dừng rotor trong tỡnh trạng khẩn cấp bằng

điện, bằng sức nƣớc hoặc bằng động cơ.

- Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ giú

khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tƣơng ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ khoảng 65 dặm/giờ tƣơng đƣơng với 104 km/h bởi vỡ cỏc mỏy phỏt này cú thể phỏt núng.

- Gear box: Hộp số. Bỏnh răng đƣợc nối với trục cú tốc độ thấp với trục cú

tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vũng/ phỳt lờn (1200ữ1500) vũng/ phỳt, tốc độ quay là yờu cầu của hầu hết cỏc mỏy phỏt điện sản xuất ra điện. Bộ bỏnh răng này rất đắt tiền nú là một phần của bộ động cơ và tuabin giú

- Generator: Mỏy phỏt. Phỏt ra điện

- High - speed shaft: Trục truyền động của mỏy phỏt ở tốc độ cao .

- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp

- Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ đƣợc đặt trờn đỉnh trụ

và bao gồm cỏc phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dựng bảo vệ cỏc thành phần bờn trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viờn cú thể đứng bờn trong, trong khi làm việc.

- Pitch: Bƣớc răng. Cỏnh đƣợc xoay hoặc làm nghiờng một ít để giữ cho rotor

quay trong giú khụng quỏ cao hay quỏ thấp để tạo ra điện.

- Tower: Trụ đỡ Nacelle. Đƣợc làm bằng thộp hỡnh trụ hoặc thanh dằn bằng thộp. Bởi vỡ tốc độ giú tăng lờn nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu đƣợc năng lƣợng giú nhiều hơn và phỏt ra điện nhiều hơn

- Wind vane: Để xử lý hƣớng giú và liờn lạc với "yaw drive" để định hƣớng

tuabin giú

- Yaw drive: Dựng để giữ cho rotor luụn luụn hƣớng về hƣớng giú chính khi

cú sự thay đổi hƣớng giú

- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho "yaw drive" định đƣợc hƣớng giú.

2.2.2.3. Sơ đồ hệ thống phỏt điện sức giú

Hỡnh 2-14: Sơ đồ hệ thống phỏt điện sức giú

Việc biến đổi năng lƣợng giú tuõn theo những nguyờn lý cơ bản về khả năng sử dụng giú và khả năng tối ƣu của cỏc tuabin.

Đặt tuabin giú trong dũng chảy của khụng khí, khi khụng khí đến gần tuabin bị ứ lại, ỏp suất dũng chảy tăng lờn và vận tốc giảm, đến khi dũng chảy chạm vào mặt tuabin trao cho tuabin năng lƣợng. Dũng chảy phía sau tuabin bị nhiễu xoỏy, gõy bởi chuyển động của tuabin và sự tỏc động với cỏc dũng khụng khí xung quanh. Về nguyờn tắc, dũng chảy phải đƣợc duy trỡ. Do đú, năng lƣợng tuabin thu nhận đƣợc bị hạn chế. Trong trƣờng hợp toàn bộ năng lƣợng giú đƣợc tuabin thu nhận, thỡ vận tốc giú đằng sau tuabin sẽ bằng khụng. Muốn cho dũng chảy đƣợc cõn bằng giữa khối lƣợng và vận tốc, năng lƣợng chảy qua tuabin phải bị mất mỏt. Đối với hệ tối ƣu, số phần trăm cực đại của năng lƣợng giú cú thể thu nhận đƣợc tính theo cụng thức do Carl Betz đƣa ra năm 1927 :

2 V 0,593 Ar Pmax  03 (2-7) Trong đú : P là mật độ năng lƣợng

0

V là vận tộc giú ban đầu - Mật độ năng lƣợng trờn một đơn vị thể tích dũng chảy khụng khí.

Số 0,593 đƣợc gọi là giới hạn Betz hoặc hệ số Betz.

Bằng phƣơng phỏp phõn tích đơn giản về động lƣợng đối với động cơ giú trục ngang tỡm đƣợc hệ số cụng suất cực đại của nú là 16/27 tức là 59,3%. Điều này đó đƣợc Betz chứng minh (1927). Hiển nhiờn đõy là trƣờng hợp số cỏnh vụ hạn (trở lực bằng khụng) là điều kiện của một động cơ giú lý tƣởng. Trong thực tế cú 3 nhõn tố làm giảm nhỏ hệ số cụng suất cực đại:

(1) Phớa sau tuabin giú tồn tại dũng xoỏy (2) Số cỏnh của tuabin giú là cú hạn (3) Cd/Cl khụng bằng 0 Cl là hệ số nõng, Cd là hệ số cản. A . 2 1 L 2 V Cl   (2-8) Cd = A . V 2 1 2 D (2-9) Trong đú :  - mật độ khụng khí (kg/m3 )

V - vận tốc dũng khụng khí (giú) khụng bị nhiễu loạn A - Diện tích hỡnh chiếu của cỏnh (diện tích hứng giú) m2.

L - Lực nõng. D - Lực cản.

Nhƣ vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt hứng giú của cỏnh tuabin, thỡ hiệu suất sử dụng năng lƣợng giú của tuabin thay đổi, tức là thay đổi lực tỏc dụng lờn cỏnh làm quay tuabin. Khi giú tăng tốc độ, năng lƣợng giú tăng lờn, nhƣng cụng suất trờn trục tuabin hầu nhƣ khụng tăng lờn.

Do đú để ổn định tần số phỏt ra của mỏy phỏt giú thỡ ta phải ổn định đƣợc diện tích bề mặt hứng giú. Hay chính là việc xỏc định đƣợc gúc điều khiển của tuabin giú.

2.2.2.4. Xỏc định gúc cỏnh điều khiển của tuabin giú

Xột tuabin giú trục đứng gồm 5 cỏnh cú biờn dạng phẳng hỡnh chữ nhật. Bài toỏn điều khiển đặt ra ở đõy là trong quỏ trỡnh tuabin làm việc cần phải liờn tục thay đổi gúc cỏnh của mỗi cỏnh sao cho phự hợp với vị trí của cỏnh, hƣớng giú, cƣờng độ giú đồng thời phự hợp với cụng suất đặt của tuabin.

Để xỏc định gúc cỏnh điều khiển ta đi phõn tích động lực học của cỏnh giú tuabin ở một vị trí bất kỳ nhƣ hỡnh 2-35.

Trong đú: α là gúc định vị ở tõm

θ là gúc cỏnh ( đại lƣợng cần điều khiển) γ là gúc tới

V là tốc độ gúc

Hỡnh 2-15:Phõn tớch động học cỏnh giú

Giả thiết tốc độ giú tỏc động vào cỏnh tuabin là V

, ta phõn tớch nú thành hai thành phần, một thành phần song song với mặt cỏnh là ƯW

, một thành phần vuụng gúc với mặt cỏnh là U  ƯW U   V (2-10) Với biờn độ dạng cỏnh là phẳng thỡ thành phần ƯW sẽ gõy lực Fd cũn thành phần U

sẽ gõy lực F1 mới cú tỏc dụng gõy ra chuyển động của cỏnh. Ta phõn tớch U thành hai thành phần  U U ht   hd U (2-11)

Với Uhd

: Là tốc độ theo phƣơng tiếp tuyến

ht

U

:là tốc độ theo phƣơng hƣớng tõm

Thành phần theo phƣơng hƣớng tõm gõy ra lực hƣớng tõm trờn cỏnh, thành phần theo phƣơng tiếp tuyến gõy ra lực cú tỏc dụng làm cỏnh chuyển động và ta gọi đú là lực hiệu dụng Fhd Ta cú: 2 2 1 hd hd hd C AU F   Trong đú:  - mật độ khụng khí (kg/m3)

Uhd- vận tốc của giú theo phƣơng tiếp tuyến (m/s) A - Diện tích của cỏnh giú

Chd- Hệ số lực hiệu dụng

Theo lý thuyết tối ƣu về hiệu suất biến đổi năng lƣợng giú thỡ ở một vị trí xỏc định ( xỏc định) giỏ trị Fhd phải đạt gía trị lớn nhất Fhdmax và từ biểu thức của Fhd ta thấy Fhd đạt giỏ trị là lớn nhất khi Uhd đạt giỏ trị lớn nhất.

Từ hỡnh 2-15 ta cú:

U=Vsinγ, Uhd=Ucosθ=Vsinγcosθ Với γ=θ-α-900

U vsin.cos v.sin 900.cos vcos .cos (2-12) cos2  cos

2  



Uhd V (2-13) Khi α xỏc định thỡ Uhd đạt giỏ trị lớn nhất

Từ mối quan hệ giữa gúc cỏnh θ và gúc định vị α ta cú thể xỏc định đƣợc gúc cỏnh điều khiển ở bất kỳ vị trí nào của  

2 1

2

cos    

cỏnh.

Sau đõy ta xỏc định gúc cỏnh điều khiển của một cỏnh của tuabin ở 10 vị trí nhƣ sau:

Gúc định vị α (độ) 0 36 72 108 144 180 216 252 288 324 360 Gúc cỏnh ĐKθ

(độ)

Hỡnh 2-16:Gúc điều khiển của một cỏnh giú ở 10 vị trớ khỏc nhau

Với cỏc cỏnh cũn lại của tuabin ta cũng điều khiển gúc cỏnh tƣơng tự nhƣ vậy khi ở cỏc vị trí tƣơng ứng.

Gúc cỏnh ở trờn ứng với tốc độ giú bằng tốc độ giú định mức V=V0, trong trƣờng hợp tốc độ giú lớn hơn tốc độ giú V >V0

  2 1 2 cos     (2-14) Nhƣ vậy lực Fhd sẽ đựơc ổn định và tốc độ của tuabin cũng đƣợc ổn định