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 cơng 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, tốc độ số vịng quay giảm dần, thơng thƣờng sau hai đến ba vòng quay, hệ thống rotor sẽ ngừng hẳn và đƣợc giữ lại bằng những chốt giữ an toàn. Bánh thắng và chốt giữ đƣợc thiết kế phổ biến hoạt động với ổng thủy lực. Những thập niên vừa qua phƣơng pháp này chỉ đƣợc áp dụng cho những tua-bin điện gió có cơng suất cao hơn 1MW.
Tua-bin điện gió thiết kế với ngun tắc điều chỉnh tình trạng gió trƣợt của cánh quạt thƣờng khơng thể tự kích hoạt ở tốc độ gió thấp, vì thế động cơ điện của những tua-bin điện gió này phải có thêm dịng điện ngồi để làm quay hệ thống rotor rồi mới hoạt động đƣợc.
Việc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnh số vòng quay của hệ thống Rotor. tốc độ gió ln thay đổi nên việc điều chỉnh, tăng hoặc hạn chế cơ năng từ dịng gió là yếu tố quan trọng để tua-bin điện gió có thể hoạt động lâu dài và ổn định.
Khi tốc độ gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góc khơng đón gió để ngƣng hoạt động, tránh hƣ hại cho tua-bin điện gió và nhƣ thế chính là dựa trên nguyên tắc khí động lực học để thắng cánh quạt khi cần thiết. Khi dịng gió có tốc độ thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt diện tích đón gió cao để có đƣợc cơng suất tối ƣu. Khi tốc độ gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió để tiếp tục hoạt động.
Hệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt Hệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh quay chỉnh mặt đón gió tối ƣu (0°) ở tốc quạt chỉnh góc đón gió từ 0 - 90° ở tốc độ gió từ 4 đến 11 m/s. độ gió từ 12 đến 25 m/s.
Hình 3.15: Tốc độ gió và góc chỉnh cánh quạt.
Từ lực tác động của gió vào bề mặt cánh quạt, cơ năng sẽ truyền đến những ổ vòng bi (Ball roller bearings) và làm quay hệ thống rotor. Những vòng bi này thƣờng có một hoặc nhiều lớp. Cánh quạt của những tua-bin điện gió có cơng suất cao thƣờng sử dụng vịng bi 2 lớp có 4 điểm tiếp xúc (Four point contact bearings).
Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 1 lớp. Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 2 lớp.
Hình 3.16: Vịng bi 4 điểm tiếp xúc.
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 đơng 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 khơng 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 công suất sẽ từ từ tăng lên. Sự thay đổi cơng 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, công 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 vịng.
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 vịng 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 vịng 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 vòng 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