3.4.3. Tốc độ gió khi tua-bin khởi động.
Tua-bin gió đƣợc khởi động khi tốc độ gió khoảng từ 2,5m/s đến 4 m/s. Tín hiệu tốc độ gió đƣợc truyền từ những thiết bị đo gió hình chén hoặc thiết bị đo gió bằng sóng siêu âm đƣợc gắn trên thùng Nacelle. Với tốc độ gió này tua-bin điện gió hoạt động khơng kinh tế vì chỉ có cơng suất rất thấp, thậm chí ở một số loại tua-bin cịn có thêm dịng điện từ bên ngồi để hoạt động trong tình trạng trống khơng với mục đích hạn chế hƣ hại vì khi hệ thống rotor ngƣng hoạt động, sức nặng của cánh quạt, đùm và những chi tiết cơ khác sẽ dễ làm cong trục rotor.
Hình 3.17: Đường biểu diễn cơng suất và tốc độ gió của tua-bin 3 MW.
3.4.4. Tốc độ gió khi tua bin ngƣng hoạt động.
Khi tốc độ gió lên trên 25 m/s, gió trở thành bão mạnh tua-bin điện gió phải ngƣng hoạt động để tránh hƣ hại. Những tua-bin có hệ thống chỉnh góc mặt đón gió cánh quạt sẽ đƣợc quay về trạng thái tránh gió và ngừng quay, ngồi ra tua-bin điện gió sẽ ngƣng hoạt động và ngắt mạng khi:
Tốc độ gió thấp hơn 2,5 – 3 m/s.
Khi thực hiện việc bảo trì hoặc sửa chữa.
Khi lƣới điện quá tải.
Tùy theo quy định của nơi lắp đặt tua-bin điện gió một số nguyên nhân khác có thể bắt buộc ngƣng hoạt động nhƣ:
Tình trạng nhấp nháy: là tình trạng xảy ra khi ánh sáng Mặt Trời chiếu vào tua- bin điện gió hệ thống cánh quạt quay sẽ phát sinh một vùng bóng râm gần dƣới chân cột và vùng bóng râm này có hiện tƣợng nhấp nháy. Những tua-bin điện gió lắp đặt gần khu dân cƣ có thể gây ra cảm nhận khó chịu phải ngƣng hoạt động.
Tình trạng đơng đá trên cánh quạt: thƣờng xảy ra vào mùa đông tại những nơi có nhiệt độ xuống thấp, tua-bin phải ngƣng hoạt động vì những hạt nƣớc đóng thành băng đá đọng lại trên thân cánh không đều khi hệ thống hoạt động cánh quạt quay có
thể gây ra lực tác động mất ổn định, tần số rung hệ thống của tua-bin điện gió có thể tăng cao làm hƣ hại đến những bộ phận cơ và điện.
3.4.5. Hệ thống chỉnh cánh quạt khi có bão.
Phần lớn tua-bin điện gió sẽ quay về trạng thái tránh gió và ngƣng hoạt động khi tốc độ gió từ 25 m/s trở lên trong khoảng 20 giây, thời gian ngƣng hoạt động tùy theo tình trạng gió, khi tốc độ gió giảm dƣới 25 m/s tua-bin điện gió sẽ khởi động trở lại và cơng suất sẽ từ từ tăng lên. Sự thay đổi công suất tua-bin điện gió vì thế bị ảnh hƣởng rất nhiều đến sản lƣợng điện. Để khắc phục tình trạng này một số tua-bin điện gió hiện đại đƣợc thiết kế thêm hệ thống chỉnh cánh quạt khi có bão. Hệ thống này hoạt động với phƣơng thức chỉnh mặt đón gió của cánh quạt, khi tốc độ gió cao hơn 25 m/s cánh quạt sẽ tự chỉnh quay góc để diện tích đón gió giảm và hạ thấp số vòng quay của hệ thống rotor nhƣng vẫn hoạt động tiếp tục với công suất thấp hơn, khi bão tan góc cánh quạt sẽ tự chỉnh để có diện tích mặt đón gió cao hơn và hoạt động ngay với cơng suất thiết kế. Q trình khởi động và quá trình ngƣng của tua-bin hoạt động cần đều vì tình trạng khởi động hoặc ngƣng đột ngột ảnh hƣởng đến độ bền chung của hệ thống. Với hệ thống chỉnh theo bão này tua-bin điện gió có thể hoạt động đến tốc độ gió 34 m/s. Tùy theo địa điểm lắp đặt tua-bin điện gió và tùy nhà sản xuất, những tua- bin điện gió hiện đại thƣờng đáp ứng u cầu an tồn khi có bão mạnh với tốc độ gió từ 50 đến 70 m/s (180 đến 252 km/h).
28*: Một số tua-bin gió có thể hoạt động đến tốc độ gió 28 m/s.
34*: Tua-bin có thể hoạt động đến tốc độ gió 34 m/s khi có hệ thống chỉnh theo bão.
Hình 3.18: Đường biểu diễn cơng suất và tốc độ gió của tua-bin 3 MW có hệ thống chỉnh cánh quạt theo bão.
3.4.6. Hệ thống chỉnh tua-bin theo hƣớng gió.
Hƣớng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo mùa. Tua-bin điện gió muốn đạt đƣợc hiệu quả về cơng suất cũng phải chỉnh theo hƣớng gió, đặc biệt là những tua-bin điện gió trục ngang. Phƣơng pháp chỉnh tua-bin theo hƣớng gió gồm hai loại: phƣơng pháp chỉnh thụ động và phƣơng pháp chỉnh tích cực. Trong phƣơng thức chỉnh thụ động, hệ thống cánh quạt khi quay sẽ tùy theo hƣớng gió và quay đến vị trí có hƣớng gió mạnh nhất nhờ đi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Nacelle. Tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ có thể áp dụng đƣợc đối với những tua bin điện gió có trọng lƣợng thấp, cơng suất từ 5 đến 20 kW và đƣờng kính cánh quạt khoảng 10 mét.
Hầu hết tua-bin điện gió cỡ trung và lớn hiện nay đều áp dụng phƣơng pháp chỉnh tua-bin theo hƣớng gió tích cực, với phƣơng pháp này, việc quay hệ thống rotor về hƣớng gió thổi đƣợc thực hiện bằng những động cơ thủy lực hoặc động cơ điện và đƣợc gọi là động cơ góc phƣơng vị (Azimuth motor hoặc Yaw motor).
Hình 3.19: Hệ thống chỉnh tua-bin theo hướng gió – Tua-bin Westinghouse WTG- 0600.
Hình 3.20: Động cơ góc phương vị (Azimuth motor) tua-bin Multibrid 5MW.
Hình 3.21: Động cơ chỉnh tua-bin theo hướng gió và bánh răng vòng.
3.5. Hệ thống quay, trục và bộ phận thắng.
Hệ thống quay và trục là những bộ phận chuyển cơ năng từ hệ thống rotor đến máy phát điện. Trong trƣờng hợp tua-bin sử dụng hộp số thì những bộ phận này truyền chuyển động quay đến hộp số để có tốc độ số vịng quay cao và sau đó truyền đến máy phát điện. Trục chính của hệ thống rotor đƣợc lắp đặt ở khoảng giữa khung của vỏ
thùng Nacelle trên một giá đỡ với những lớp ổ lăn đỡ trục hình trụ và hình cơn. Những bộ phận khác là vòng nối trục, bánh thắng và những chi tiết phụ. Tất cả những chi tiết cơ và điện này đều đƣợc lắp đặt trong thùng Nacelle để hạn chế những ảnh hƣởng có thể gây hƣ hại của thời tiết cũng nhƣ chất bẩn trong khơng khí.
Trong cơng nghiệp điện gió trục quay của hệ thống rotor hoạt động với tốc độ số vòng quay thấp, tùy theo công nghệ, nhà sản xuất và công suất mà tốc độ này có những khác biệt và điển hình là:
• Tua-bin điện gió có cơng suất đến 600kW: tốc độ số vịng quay từ 16 đến 49 vòng trong một phút.
• Tua-bin điện gió có cơng suất cao trên 2MW: tốc độ số vòng quay từ 3,5 đến 22 vịng trong một phút.
• Tua-bin điện gió có cơng suất trên 5MW: tốc độ số vòng quay từ 3,5 đến 13,9 vịng trong một phút. Thí dụ nhƣ tua-bin điện gió REpower 6M cơng suất 6MW, số vịng quay là 7,7 đến 12,1 trong một phút, tua-bin Nordex N150/6000 cơng suất 6MW số vịng quay là 3,5 đến 13,9 trong một phút; tua-bin Enercon E128 7,5MW số vòng quay từ 5 đến 11,7 trong một phút.
Cũng tùy theo công nghệ và tùy theo nhà sàn xuất, nguyên tắc xếp đặt những hệ thống, bộ phận và chi tiết cơ trong tua-bin điện gió có một số khác biệt nhƣng chủ yếu theo ba nguyên tắc: xếp đặt rời, xếp đặt kết hợp và xếp đặt chung.
Nguyên tắc xếp đặt rời: những chi tiết chính của tua-bin điện gió nhƣ trục, bộ phận nối trục, hộp số, máy phát điện đƣợc lắp đặt theo thứ tự, trục đƣợc giữ bằng hai ổ lăng riêng, một cố định và một hở. Nguyên tắc này có thể áp dụng cho loại tua-bin điện gió với tốc độ số vịng quay thấp hoặc loại có số vịng quay cao
Hình 3.22: Trục rotor với hai ổ lăn theo nguyên tắc xếp đặt rời - Tua-bin điện gió Vestas V66.
Hình 3.23: Chi tiết tua-bin với nguyên tắc xếp đặt rời.
Nguyên tắc xếp đặt kết hợp: một ổ lăn đỡ trục của tua-bin đƣợc đặt trong hộp số, ổ lăn đỡ trục chính đƣợc đặt tại đầu trục và nằm ngay tại phần rotor. Nguyên tắc này còn đƣợc gọi là nguyên tắc đỡ trục với ổ lăn tại 3 điểm.
Hình 3.24: Tua-bin với ổ bi đỡ trục tại 3 điểm (nguyên tắc kết hợp).
Hình 3.25: Xếp đặt chi tiết tua-bin với nguyên tắc kết hợp.
Nguyên tắc đặt chung: chi tiết ổ lăn đỡ trục của tua-bin điện gió đƣợc đặt trong hộp số, trục không dùng ổ lăn để hở và không dùng bộ phận nối trục rời. Đối với những tua-bin điện gió khơng sử dụng hộp số, những chi tiết truyền động đƣợc hội nhập vào hệ thống rotor và máy phát điện.
Hình 3.26: Trục tua-bin điện gió một ổ bi đỡ với nguyên tắc xếp đặt chung - Vestas V90.
Hệ thống thắng của tua-bin điện gió có hai chức năng, chức năng giảm tốc độ để ngƣng hoạt động và chức năng giữ hệ thống rotor ở vị trí an tồn. Trong thiết kế hệ thống thắng, yếu tố tốc độ gió cao nhất khi rotor hoạt động là cơ sở để tính lực giảm tốc độ số vòng quay của cánh quạt và dừng lại, ngồi ra khi tua-bin điện gió cần bảo trì hoặc sửa chữa, hệ thống rotor phải đƣợc giữa ở vị trí an tồn. Tùy theo ngun tắc điều chỉnh hệ thống rotor, chiều dài cánh quat, tốc độ số vịng quay và cơng suất mà việc thiết kế hệ thống thắng có những điểm khác biệt.
Hình 3.28: Bánh thắng - Tua-bin Nordex N-80.
3.6. Hộp số.
Cơng nghệ tua-bin điện gió khơng sử dụng hộp số là công nghệ mới và chỉ đƣợc sản xuất nhiều từ những năm vừa qua, xu hƣớng hiện nay và tƣơng lai là tu-bin điện gió khơng sử dụng hộp số. Tuy nhiên phần lớn tua-bin điện gió lắp đặt trên thế giới hiện nay đều sử dụng hộp số.
Hệ thống cánh quạt của tua-bin điện gió có tốc độ số vịng quay thấp và thông thƣờng từ 3,5 đến 22 vịng trong một phút, những tua-bin điện gió lọai hai cánh cũng chỉ họat động tối đa đến tốc độ số vòng quay là 49 vòng trong một phút. Tốc độ số vòng quay của máy phát điện (ngọai trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thơng thƣờng từ 900 đến 2000 vịng trong một phút. Để chuyển tốc độ số vòng quay của hệ thống Rotor lên cao, hộp số đƣợc lắp đặt sau trục chính của Rotor. Hộp số có chức năng chuyển tốc độ số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên tốc độ số vòng quay cao của máy phát điện.
Tỉ lệ truyền động của hộp số có thể lên đến 1:100, thí dụ nhƣ tốc độ số vòng quay của hệ thống Rotor là 10 vịng trong một phút thì tốc độ chuyển đổi sau hộp số sẽ là 1000 vịng trong một phút.
Hình 3.29: Hộp số bánh răng xếp đặt vịng 3 cấp của tua-bin điện gió với cơng suất từ 2 đến 3MW.
Hình 3.30: Nguyên tắc hộp số kết hợp 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng và 1 bộ bánh răng trụ.
3.7. Thùng Nacelle và những hệ thống phụ. 3.7.1. Thùng Nacelle.
Thùng Nacelle gồm khung đỡ hệ thống quay của cánh quạt, trục chính của rotor, hộp số, máy phát điện và những bộ phận khác nhƣ hệ thống tủ điện, hệ thống đổi tần, hệ thống làm mát máy phát điện, hệ thống chỉnh tua-bin theo hƣớng gió, bộ phận
nối thùng với trụ, hệ thống thủy lực, cẩu phục vụ bảo trì, thay thế chi tiết tua-bin điện gió.
Tùy theo cơng nghệ, ngun tắc xếp đặt chi tiết máy, loại máy phát điện và tùy theo nhà sản xuất thùng Nacelle có kích thƣớc và hình dạng khác nhau, ví dụ: thùng Nacelle của tua-bin Vestas V100 cơng suất 1,8 MW có chiều cao là 3,5 mét, chiều dài 10,4 mét hoặc tua-bin e.n.o 114 công suất 3,5 MW có chiều cao 4 mét, chiều dài 12 mét. Thùng Nacelle của tua-bin điện gió sử dụng hộp số có cấu hình dài và nhiều cạnh, tua-bin sử dụng máy phát điện vịng có hình thon trịn, phần máy phát điện có đƣờng kính lớn nhƣng vật liệu vỏ thùng thƣờng giống nhau và có thể là kim loại nhẹ nhƣ nhôm, thép mỏng, nhựa tổng hợp GRP hoặc kết hợp những vật liệu này. Vật liệu vỏ thùng đƣợc sản xuất phải chịu đƣợc lực tác động cao, vỏ thùng phải ngăn đƣợc cát, bụi hoặc chất bẩn trong khơng khí.
Hình 3.32: Thùng Nacelle của tua-bin điện gió Fuhrländer.
3.7.2. Những hệ thống phụ. a. Hệ thống điều khiển. a. Hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển tua-bin điện gió gồm những tủ điện trong thùng Nacelle và một tủ điều khiển khác trên mặt đất trong thân trụ. Hệ thống điều khiển gồm những máy vi tính kiểm tra mọi tình trạng của tua-bin điện gió. Những tủ điện đặt trong thùng Nacelle ngòai hệ thống đổi tần cịn có cơng dụng điều khiển hệ thống chỉnh góc đón gío của cánh quạt, chỉnh tua-bin theo hƣớng gió, chỉnh tốc độ số vòng quay của hệ thống cánh quạt theo tín hiệu về tốc độ và hƣớng gió từ thiết bị đo gió nằm trên thùng Nacelle.
Hệ thống điều khiển cịn có chức năng chỉnh cơng suất điện theo u cầu sản xuất cũng nhƣ chức năng đình chỉ tua-bin họat động khi tốc độ gió lên q cao.
Hình 3.33: Màn hình hiện thị số giờ họat động và những thông tin khác đặt trong thân trụ.
Để bảo đảm tua-bin điện gió hoạt động hiệu quả, việc theo dõi và kiểm tra tình trạng của tua-bin điện gió đƣợc thực hiện với sự hỗ trợ của hệ thống máy tính và phần mềm đƣợc nối mạng chung với Đài Khí tƣợng, trạm biến thế và hệ thống lƣới điện theo phƣơng thức điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).
Hình 3.34: Sơ đồ nối mạng hệ thống tua-bin điện gió.
Trong tua-bin điện gió, hệ thống làm mát gồm làm mát bên trong thùng Nacelle bằng sự chuyển đổi nhiệt năng từ luồng khơng khí bên ngồi thơng qua những kẽ hở tại thân hoặc dƣới sàn thùng. Đối với tua-bin điện gió có cơng suất dƣới 1MW, nguồn khơng khí thiên nhiên bên ngồi đƣợc dẫn đến nơi có nguồn tỏa nhiệt lớn nhất của tua- bin điện gió là bề mặt của máy phát điện, hộp số và những tủ điện của hệ thống đổi tần.
Đối với tua-bin điện gió lớn, nhiệt năng phát sinh của những tua-bin này rất cao vì hệ số cơng suất của máy phát điện thƣờng từ 95 đến 98%. Việc làm mát từ nguồn khơng khí thiên nhiên thƣờng khơng đủ nên phải có hệ thống làm mát riêng. Nguyên tắc làm mát máy phát điện của những tua-bin điện gió sử dụng hộp số có thể là kết hợp và chuyển đổi tuần hồn luồng khơng khí trong máy phát điện và làm nguội chất làm mát bằng dung dịch nƣớc hoặc dầu với sự hỗ trợ của những Sensor cảm ứng nhiệt có độ nhạy chính xác từ -25 đến +1000C đƣợc lắp đặt tại máy phát điện và những vị trí tỏa nhiệt khác trong thùng Nacelle.
c. Hệ thống bơi trơn và dầu.
Tua-bin điện gió hoạt động liên tục trong điều kiện thời tiết thay đổi ảnh hƣởng đến sản lƣợng điện và độ bền của hệ thống. Việc bơi trơn ổ lăn, vịng bánh răng điều chỉnh hệ thống cánh quạt, vịng bánh răng điều chỉnh tua-bin theo hƣớng gió cũng nhƣ bơi trơn và làm mát trục và hộp số là yêu cầu kỹ thuật quan trọng của mỗi tua-bin điện gió.
Ổ lăn, ổ vòng bi là những chi tiết chịu lực tác động cao và luôn bị ma sát. Thông thƣờng vật liệu bôi trơn là mỡ đặc đƣợc đƣa vào khi lắp ráp ổ tại nơi sản xuất. Với thời gian, lƣợng mỡ sẽ sẽ giảm và bị nhiễm bẩn, vì thế những tua-bin điện gió