CHƢƠNG 3 : TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
3.2. Cánh quạt
3.2.3. Những trạng thái có thể xảy ra đối với cánh quạt
Cánh quạt của những tua-bin điện gió cơng suất lớn có trọng lƣợng và chiều cao nên khi cánh quạt quay với tốc độ số vịng quay khơng cố điịnh dễ gây ra những trạng thái ngoài ý muốn của ngƣời thiết kế nhƣ độ cong và tần số rung không đều của cánh quạt, đặc biệt khi bị mƣa bão hoặc khi tua-bin điện gió đƣợc lắp tại những vùng có
nhiệt độ thấp, tình trạng đóng băng tại thân cánh quạt làm cánh quạt mất cân bằng tạo ra tần ssos rung mất ổn định hoặc khi những hạt nƣớc đơng thành đá có thể văng xuống mặt đất khi tua-bin điện gió hoạt động. Tua-bin điện gió lắp đặt tại những nơi này vì thế thƣờng đƣợc thiết kế có thêm hệ thống sƣởi hoặc làm tan băng bằng những phƣơng thức khác nhau nhƣ chuyển động dịng khí nóng trong thùng Nacelle đến từng thân trong cánh quạt hoặc có thiết bị sƣởi trực tiếp bằng điện.
Ngồi ra hình dạng của cánh quạt còn đƣợc thiết kế phù hợp với tiềm năng gió của từng khu vực theo tiêu chuẩn loại cấp gió tua-bin của Ủy ban kỹ thuật điện Qc tế IEC nhƣ đã trình bày trong chƣơng 2, phần tiêu chuẩn lớp gió cho tua-bin.
Nói chung là cánh quạt của tua-bin điện gió phải đƣợc thiết kế tối ƣu trên phƣơng diện khí động lực học, đạt đƣợc hệ số Betz CP cao nhất, giảm đƣợc ảnh hƣởng cơ học về trọng tải kể cả khi momen xoắn tăng hoặc khi tua-bin điện gió hoạt động với cơng suất thiết kế cũng nhƣ phải có độ bền vật liệu cao trong mọi tình huống thời tiết. 3.2.4. Số cánh quạt của tua-bin.
Dựa trên nguyên tắc vật lý và khí động lực học, những nghiên cứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho tua-bin điện gió đã đƣợc thực hiện từ nhiều thập niên trƣớc ở nhiều nơi trên thế giới, diện tích qt gió phụ thuộc vào bề mặt cũng nhƣ chiều dài cánh quạt nên trên nguyên tắc số cánh quạt của tua-bin không là yếu tố quyết định cơ bản về công suất. Những tua-bin một cánh quạt đƣợc đƣa vào hoạt động từ những năm 1985 với công suất từ 25 đến 1000 kW, ƣu điểm của tua-bin điện gió một cánh là giảm đƣợc trọng lƣợng so với những tua-bin hai hoặc ba cánh, số vịng quay nhanh có thể lên đến 49 vịng trong một phút nên tạo cơng suất cao và giá thành thấp.
Trên phƣơng diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao nhƣng trên phƣơng diện cơ học thì tua-bin hoạt động với số vịng quay nhanh sẽ phát sinh những nhƣợc điểm cơ bản nhƣ tần số rung của tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hƣởng đến những chi tiết khác của hệ thống, sự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm đi rất nhiều, ngoài ra khi tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát ra tiếng ồn rất lớn, đặc biệt là những tua-bin sử dụng hộp số.
Số cánh quạt của tua-bin điện gió trên lý thuyết khơng là yếu tố chính để tăng cơng suất nhƣng tua-bin điện gió hai cánh trong thực tế vẫn đạt đƣợc một công suất cao hơn tua-bin một cánh khoảng 10%. Thế nhƣng tua-bin điện gió hai cánh cũng có nhƣợc điểm là vì hoạt động với số vịng quay nhanh, tần số rung của tua-bin mất ổn định ảnh hƣởng đến những chi tiết khác của hệ thống. Sự phân bố lực của cánh quạt vào trục, thùng và thân trụ tùy thuộc vào vị trí của cánh quạt, khi cánh quạt ở vị trí thẳng đứng, tần số rung hệ thống thấp nhƣng khi cánh quạt ở vị trí nằm ngang thì tần số rung hệ thống tăng cao nên tua-bin điện gió dễ bị giao động và phát sinh ra tiếng ồn cao.
Trong thiết kế tua-bin điện gió, hệ số tốc độ gió tại đầu cánh là tỉ lệ giữa tốc độ tại vòng quay của đầu cánh quạt và tốc độ của dịng gió thổi đến v. Đây là yếu tố quan trọng giữa việc quyết định số cánh quạt, công suất, độ bền và kinh phí sản xuất. Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh là :
vtop
v
Trong đó :
vtop : Tốc độ gió tại đầu cánh quạt [radian/s]. v : Tốc độ gió [m/s].
Với cùng hệ số tốc độ gió tại đầu cánh, tua-bin điện gió có đƣờng kính cánh quạt lớn, công suất sẽ lớn hơn tua-bin có đƣờng kính cánh quạt nhỏ. Những tua-bin điện gió trục ngang ba cánh hiện đại thƣờng có hệ số tốc độ gió tại đầu cánh từ 6 đến 8.
Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh nhỏ thƣờng có nhƣợc điểm là momen xoắn α tăng, những bộ phân cơ của tua-bin điện gió phải đƣợc thiết kế phù hợp vì cơ năng sẽ bị thất thốt nhiều. Khi hệ số tốc độ gió tại đầu cánh tăng, số cánh quạt và diện tích mặt đón gió có thể giảm để tiếp nhận nguồn cơ năng ổn định. Để có hệ số tốc độ gió tại đầu cánh quạt cao, cánh quạt thƣờng đƣợc thiết kế có chiều dài thích hợp để tua-bin điện gió đạt đƣợc cơng suất. Vì tốc độ gió ln thay đổi nên lực tác động vào tua-bin luôn khác biệt, độ rung hệ thống là một trong những yếu tố quyết định về độ bền. Với tua-
bin điện gió trục ngang ba cánh, yếu tố này dễ khắc phục hơn những loại tua-bin một hoặc hai cánh.
Bảng 3.3: Số cánh quạt và hệ số tốc độ gió tại đầu cánh.
Số cánh quạt n n ở Hệ số Betz lý tƣởng
1 15
2 10
3 6-8
Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vịng quay nên họat động ổn định hơn tua-bin điện gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3-4% so với tua-bin điện gió hai cánh. Ngồi ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế đƣợc những ảnh hƣởng cơ tác động đến những chi tiết khác trong tuabin. Việc nâng số cánh quạt của tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt đƣợc công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so với tua-bin điện gió ba cánh nên những tua-bin loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong q trình thử nghiệm vì khơng kinh tế.
Để đạt đƣợc hệ số tốc độ gió tại đầu cánh cao, thân cánh quạt phải mỏng và nhọn, điều này ảnh hƣởng rất lớn đến độ bền vật liệu của cánh quạt. Tua bin điện gió hai cánh có số vịng quay cao nên có thể đạt đƣợc hệ số tốc độ gió tại đầu cánh là 15 nhƣng khơng đạt đƣợc độ bền cần thiết, ngồi ra tiếng ồn phát sinh cũng rất cao.
Hình 3.12: Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh và cấu hình NACA 4415 theo số cánh quạt.
Qua quá trình thử nghiệm và thống kê trong thời gian hoạt động của tua-bin điện gió với những số cánh quat khác nhau, tua bin điện gió ba cánh gần nhƣ đã đạt đƣợc một tiêu chuẩn về công suất và độ bền cũng nhƣ độ ồn phát sinh thấp nhất và cơ bản có tính kinh tế cao hơn những tua-bin điện gió một, hai hoặc bốn cánh. Tuy nhiên khi tua-bin điện gió lắp đặt xa bờ biển, độ ồn khơng là yếu tố quyết định nên một số cơng trình ngồi khơi sử dụng loại tua-bin điện gió hai cánh. Tuy thế cho đến nay hầu hết những cơng trình điện gió lắp đặt trên đất liền và ngồi khơi đều sử dụng loại tua- bin điện gió ba cánh.
3.3. Hệ thống rotor.
Hệ thống rotor là phần truyền chuyển động quay chính của tua-bin điện gió với chức năng đón dịng gió làm xoay cánh quạt để chuyển thành cơ năng. Trong hệ thống rotor, cánh quat đƣợc nối vào đùm bằng những vòng đinh ốc có sức chịu lực cao. Đùm và hệ thống rotor đƣợc nối vào trục và chuyển cơ năng thu đƣợc vào hộp số và đến máy phát điện. Trong trƣờng hợp tua-bin điện gió khơng dùng hộp số thì cơ năng này đƣợc chuyển trực tiếp vào máy phát điện. Phần lớn những tua-bin điện gió hiện đại đƣợc thiết kế theo loại trục nằm ngang và đón dịng gió từ phía trƣớc thổi đến (Up wind rotor ) với hệ thống chỉnh mặt đón gió của cánh quạt và hệ thống chỉnh tua-bin theo hƣớng gió.
Cơng suất tua-bin điện gió lệ thuộc vào tốc độ gió và số vịng quay của rotor cũng nhƣ diện tích quet gió. Trên cơ sở tối ƣu hóa cơng suất, cấu hình cánh quạt, bộ phận nối phải có một độ bền thích hợp, ngồi ra trọng lƣợng và cấu hình từng chi tiết phải phù hợp để có thể vận chuyển đến nơi lắp đặt. Mục dích chính trong thiết kế hệ thống rotor có thể tóm gọn nhƣ sau:
Cánh quạt phải đạt đƣợc hệ số công suất cao nhất.
Đạt đƣợc đồ bền ít nhất là 20 năm, đối với tua-bin có cơng suất cao hơn 2MW thì độ bề phải ít nhất 25 đến 40 năm.
Độ ồn khi hoạt động phải nằm trong mức giới hạn.
Không quá cồng kềnh trong việc vận chuyển.
Hệ thống rotor và những chi tiết nối cánh quạt có những thiết kế và phƣơng pháp khác nhau, nhƣng cấu hình chính gồm:
Cánh quạt quay quanh trục và đổi góc chéo.
Cánh quạt quay quanh trục và đổi góc đều.
Cánh quạt chỉ quay quanh trục.
Cánh quạt quay quanh trục và quay quanh thân để chỉnh mặt đón gió.
Hình a. Hình b.
Hình c. Hình d.
Bảng 3.4: So sánh các trạng thái hoạt động của cánh quạt.
Hệ thống Roto với cánh quạt quay quanh trục và đổi góc chéo (hình a) - Ƣu điểm: Lực tác động vào Tua bin giảm. Thƣờng ứng dụng cho Tua-bin 2 cánh và loại đón gió từ phía sau.
- Nhƣợc điểm: Thiết kế phức tạp, chi tiết quay dễ hƣ hỏng, độ bền kém.
Hệ thống Roto với cánh quạt quay quanh trục và đổi góc đều (hình b)
- Ƣu điểm: Lực tác động vào chân cánh và trục Tua- bin giảm, lực xoắn tác động vào chân cánh giảm. Thƣờng ứng dụng cho Tua-bin 3 cánh loại nhỏ và đón gió từ phía sau.
- Nhƣợc điểm: Thiết kế phức tạp, chi tiết quay dễ hƣ hỏng, độ bền kém.
Hệ thống Roto với cánh quạt chỉ quay quanh trục (hình c)
- Ƣu điểm: Thiết kế giản dị và độ bền Roto cao. Thƣờng đƣợc ứng dụng cho tua-bin điện gió loại chống tình trạng gió trƣợt hoặc tình trạng trồng trành.
- Nhƣợc điểm: Lực tác động vào trục Tua-bin rất cao, lực xoắn tác động vào chân cánh quạt cao.
Hệ thống Roto với cánh quạt quay quanh trục và quay quanh thân để chỉnh mặt đón gió (hình d) - Ƣu điểm: Gỉảm đƣợc lực tác động vào những chi tiết cơ khác của tua-bin, chỉnh đƣợc mặt đón gió phù hợp với từng tình trạng gió, bão.
- Nhƣợc điểm: Thiết kế phức tạp, chi phí cao.
3.4. Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống rotor.
Nguyên tắc thiết kế cánh quạt tua-bin điện gió là đón dịng gió để chuyển qua cơ năng. Để đạt đƣợc chức năng này, bề mặt cánh quạt phải có diện tích đón dịng gió thổi đến. Tốc độ gió ln thay đổi, khi tốc độ gió lên cao hệ thống rotor khơng thể tiếp thu hết dịng gió để chuyển thành cơ năng
Tua-bin điện gió vì thế thƣờng đƣợc thiết kế để đạt đƣợc cơng suất cao nhất khi tốc độ gió ở khoảng từ 11 đến 16 m/s. Những tốc độ gió cao hơn khơng thể làm tăng công suất nhƣ định luật Betz đã chứng minh. Cơng suất tua-bin điện gió lệ thuộc vào khối lƣợng khơng khí chuyển động và lũy thừa 3 của tốc độ gió, thế nhƣng khi tốc độ gió cao hơn 25m/s, lực tác động , lực ly tâm và lực xoắn tác động vào hệ thống cánh quạt tăng cao, những chi tiết cơ của tua-bin có thể bị hƣ hại, vì thế tua-bin điện gió phải ngƣng hoạt động.
Vì tốc độ gió ln thay đổi nên trong từng thiết kế, tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ƣu với một số tốc độ gió nhất định để có một cơng suất ổn định. Để đạt đƣợc những
yêu cầu này, hệ thống rotor phải có những chức năng tự điều chỉnh theo tốc độ và hƣớng gió và tự ngƣng hoạt động bằng những hệ thống thắng để đảm bảo an toàn.
Việc điều chỉnh hệ thống rotor trƣớc đây thƣờng theo nguyên tắc điều chỉnh tình trang gió trƣợt của cánh quạt, trong thập niên vừa qua việc điều chỉnh này đã đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp chỉnh quay mặt đón gió của cánh quạt.
3.4.1. Điều chỉnh trình trạng gió trƣợt của cánh quạt.
a. Điều chỉnh thụ động tình trạng gió trƣợt của cánh quạt.
Điều chỉnh thụ động tình trạng gió trƣợt của cánh quạt là điều chỉnh dịng tránh gió qua thân cánh quạt với một góc nhất định. Nguyên tắc này đƣợc phát minh từ nhà Vật lý ngƣời Đan Mạch Johannes Juul năm 1950 và đƣợc ứng dụng đầu tiên vào tua- bin điện gió Gedser năm 1957. Theo nguyên tắc này cánh quạt đƣợc gắn vào đùm với một góc nhất định, cấu hình cánh quạt đƣợc thiết kế dựa trên nguyên tắc khí động lực học, khi dịng gió tốc độ cao thổi vào bề mặt sẽ gây ra tình trạng dịng gió bị nhiễu động và trƣợt qua thân cánh quạt để hạn chế lực từ gió tác động vào cánh quạt. Hệ thống rotor cánh quạt vẫn quay với số vòng cố định, máy phát điện dị bộ cũng hoạt động với số vòng quay cố định để giữ đƣợc tần số điện quy định.
Tốc độ gió trung bình ổn định . Tốc độ gió cao.
v: tốc độ gió ổn định. : Góc cánh quạt tại vị trí ổn định. vtop: tốc độ tại đầu cánh không đổi. : Góc cánh quạt khi điều chỉnh. vtr: Tốc độ tại tình trạng gió trƣợt. F: Lực tác động.
vrel: Tốc độ tƣơng đối. F1: Lực đẩy. Fc: Lực cản.
Tùy theo tốc độ gió v và vtr mà góc , thay đổi. Khi tốc độ gió lên cao, góc
sẽ lớn hơn và dịng gió phía trƣớc trên bề mặt cánh quạt sẽ bị nhiễu động và trƣợt đi, lực chuyển động kinetic giảm và cơ năng tác động vào cánh quạt ít hơn, tua-bin điện gió vì thế giữ đƣợc cơng suất ổn định. Tuy nhiên việc giới hạn công suất tua-bin của phƣơng thức này cũng gặp nhiều trở ngại vì cấu hình cánh quạt khơng thể thay đổi đƣợc mặt đón gió, lƣợng tránh gió khơng thể điều chỉnh đƣợc chính xác. Khi tốc độ gió lên cao trong lúc tốc độ quay cánh quạt cố định sẽ gấy ra những lực xoắn cao truyền vào hệ thống trục và những chi tiết cơ khác của tua-bin điện gió, ngồi ra việc điều chỉnh tình trạng gió trƣợt của cánh quạt thƣờng phát sinh ra tiếng ồn rất cao. b. Điều chỉnh tích cực tình trạng gió trƣợt của cánh quạt.
Để hạn chế ảnh hƣởng này, một số nhà sản xuất đã ứng dụng nguyên tắc điều chỉnh tích cực tình trạng gió trƣợt là áp dụng hệ thống thắng tại đầu cánh quạt bằng cách thiết kế thêm thanh cản gió tại đầu cánh quạt hoặc thêm nắp chỉnh tại thân cánh hoặc thiết kế bộ phận chỉnh quay góc đến 900 tại đầu cánh. Thế nhƣng việc chỉnh góc tại đầu cánh quạt lại tạo thêm ảnh hƣởng cơ đến hệ thống trục và những chi tiết khác của tua-bin điện gió nên phƣơng pháp này chỉ đƣợc áp dụng cho những tua-bin có cơng suất dƣới 1MW. Tuy nhiên trong một chừng mực nhất định, phƣơng thức này cũng có ƣu điểm là có thể điều chỉnh đƣợc một phần về cơng suất.
Khi tốc độ gió lên đến 25m/s, hệ thống rotor của những tua-bin điện gió sử dụng hộp số thƣờng đƣợc thắng lại bằng những bánh thắng, khi bánh thắng hoạt động,