CHƢƠNG 3 : TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
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 vòng 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 công suất 6MW số vòng 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 không 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 vòng 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 còn 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 công suất điện theo yêu 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 thơng 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 cơng suất cao thƣờng đƣợc thiết kế có hệ thống bơm mỡ tự động vào ổ lăn và ổ bi theo một chu kỳ quy định. Việc bôi trơn bằng mỡ tuy thế cũng có nhƣợc điểm là chất bẩn dính vào mỡ làm độ ma sát tăng và việc điều chỉnh nhiệt độ của từng vị trí bơi trơn khơng đƣợc thực hiện. Để khắc phục nhƣợc điểm này một số nhà sản xuất tua-bin điện gió áp dụng phƣơng pháp bơi trơn bằng hệ thống dầu với bộ phận lọc. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể lọc đƣợc những chất bẩn phát sinh trong quá trình hoạt động và điều chỉnh đƣợc nhiệt độ nhờ áp lực của dầu, tuy nhiên nhƣợc điểm của
phƣơng pháp này là hệ thống phức tạp, cần thùng chứa, máy bơm dầu, van và nhiều đƣờng ống dẫn dầu đến nơi bôi trơn.
d. Hệ thống chống sét, chống cháy nổ.
Trong tua-bin điện gió việc bảo vệ chống sét đƣợc chia làm ba phạm vi: phạm vi chống sét 0 là những nơi sét có thể đánh vào trực tiếp nhƣ thân thùng Nacelle, đƣờng dây cáp hở hoặc nơi đƣờng dây điện nối ra ngoài. Phạm vi chống sét 1 gồm máy phát điện, hộp số, trục, những chi tiết cơ, máy biến thế, mạng điện hạ thế. Phạm vi chống sét 2 gồm hệ thống cánh và hệ thống điều khiển điện.
Hệ thống chống cháy nổ tự động trong tua-bin điện gió gồm thiết bị báo nhiệt độ, thiết bị báo lửa với tia cực tím, thiết bị báo khói và trung tâm dẫn truyền chất chữa cháy cũng nhƣ truyền tín hiệu cháy đến cơ quan chữa cháy địa phƣơng. Trong hệ thống chữa cháy, số lƣợng thiết bị máy chữa cháy và van chữa cháy tùy thuộc vào độ lớn của tua-bin điện gió và u cầu phịng cháy của từng khu vực và đƣợc chia làm ba vùng: vùng thùng Nacelle, vùng máy biến thế và vùng tủ điện.
3.8. Trụ, chân đế.
3.8.1. Trụ, chân đế trên đất liền.
Trụ của tua-bin điện gió là phần có trọng tải cao nhất trong hệ thống. Tùy theo lọai tua-bin điện gió, cơng suất và địa điểm lắp đặt mà độ cao của tua-bin khác nhau, trọng lƣợng của trụ tua-bin điện gió có cơng suất lớn thƣờng lên đến nhiều trăm tấn, kinh phí sản xuất, vận chuyển và lắp đặt thông thƣờng từ 15 đến 25 phần trăm tổng số kinh phí của tua-bin. Chiều cao của trụ tua-bin điện gió đƣợc thiết kế theo vị trí lắp đặt và đƣợc chia làm hai lọai, lọai trụ thấp đƣợc lắp đặt tại vùng ven biển và ngoài khơi với tỉ lệ so với cánh quạt là từ 1,0 đến 1,4. Lọai trụ cao đƣợc lắp đặt tại vùng đồi núi hoặc trên đất liền xa bờ biển có tỉ lệ so với cánh quạt từ 1,2 đến 1,8.
Hình 3.35: Cơng suất của tua-bin lệ thuộc vào độ lớn của tua-bin và độ cao của trụ.
Trụ tua-bin điện gió gồm lọai trụ cột nhỏ, trụ lƣới (lọai ráp từ những thanh sắt), trụ ống thép, trụ bê-tông, trụ kết hợp thép và bê-tơng
Hình 3.37: Đọan chân trụ và vịng nối hai lớp đinh ốc.
Chân đế tua-bin điện gió lắp đặt trên đất liền đƣợc xây dựng với vật liệu là bê-tông lõi sắt và những ống nhựa để dẫn dây cáp điện cũng nhƣ một hoặc nhiều đƣờng dây thép không rỉ phục vụ việc nối đất để chống sét.
Hình 3.39: Chân đế nhiều cạnh.
3.8.2. Trụ, chân đế trên biển.
Trên mặt biển mật độ khơng khí thấp, độ ma sát của khơng khí và sự xáo động của gió ít hơn trong đất liền, dịng gió ngịai biển đều và có tốc độ cao nên số giờ tua- bin điện gió họat động gần nhƣ liên tục, theo thống kê của Hiệp hội điện gió Anh quốc (British Wind Energy Association) thì tua-bin điện gió lắp đặt trên biển có số giờ họat động trong năm khoảng 8000 giờ (một năm có 8760 giờ). Trong 8000 giờ này tua-bin điện gió đạt đƣợc cơng suất thiết kế khi có tốc độ gió từ 12 đến 15 m/s, tốc độ này chiếm khoảng 4000 đến 4500 giờ, tƣơng ứng từ 50 đến 56% tổng số giờ họat động nên cao hơn trên đất liền rất nhiều. Chính vì thế chiến lƣợc xây dựng Trang trại điện gió trên biển hiện nay là trọng tâm phát triển của cơng nghiệp điện gió. Theo Hiệp hội điện gió Âu châu, riêng trong năm 2010, 16 trang trại điện gió với cơng suất tổng cộng là 3.972MW đã đƣợc xây dựng trên biển.
a. Tua-bin điện gió với chân đế trên nền biển.
Tùy theo những yếu tố nhƣ độ sâu của nền biển, dòng chảy của nƣớc biển, chiều cao của sóng, đặc tính của nền biển tại địa điểm lắp đặt tua-bin điện gió mà việc thiết kế và xây dựng chân đế có những phƣơng thức khác nhau, những dạng chân đế hiện nay gồm:
• Chân đế trọng lực (Gravity). • Chân đế thùng (Brucket). • Chân đế đơn (Monopile).
• Đế tháp 3 chân (Tripod) và Đế tháp lƣới (Jacket). • Chân đế kết hợp.
• Chân đế nhiều cọc (Multipiles) và chân đế nổi (Floating).
Hình 3.41: Chân đế trọng lực (Gravity). Chân đế thùng (Brucket). Chân đế đơn (Monopile) và sơ đồ đóng chân đế trên nền biển.
Hình 3.42: Đế tháp nhiều chân (multipod) và đế tháp lưới (jacket).
Hình 3.44: Loại chân đế và độ sâu của nền biển.
b. Tua-bin điện gió nổi ngồi khơi.
Việc xây dựng và lắp đặt chân đế cho tua-bin điện gió trên biển tại những nơi có nền biển sâu hơn 50 mét thƣờng rất phức tạp và chi phí cao.