Nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu.
Trong nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, cơng suất tua-bin điện gió chỉ điều khiển đƣợc theo tốc độ số vịng quay của rotor và có ƣu điểm là khơng cần một nguồn điện từ bên ngồi. Với nguyên tắc này tua-bin điện gió đạt đƣợc hệ số cơng suất cao, tuy nhiên nhƣợc điểm chính là cần thêm bộ phận điều chỉnh thất thốt về cơng suất truyền dẫn và cơng suất của tua-bin điện gió.
Hình 4.26: Ngun tắc kích thích từ dịng điện ngồi.
Trong ngun tắc kích thích từ dịng điện ngồi, máy phát điện chỉ khởi động đƣợc khi có một dịng điện từ bên ngồi kích họat. Ƣu điểm của nguyên tắc này là việc điều chỉnh công suất của tua-bin dễ thực hiện theo dịng điện kích hoạt, nhƣợc điểm là thiết kế phức tạp và bắt buộc phải có một dịng điện từ bên ngồi thì máy phát điện mới hoạt động đƣợc.
Hình 4.37: Nguyên tắc tự kích thích.
Trong nguyên tắc tự kích thích, nguồn từ trƣờng trong máy phát điện sẽ tự kích thích nhờ dịng điện xoay chiều đƣợc chuyển qua điện một chiều. Ƣu điểm của nguyên tắc tự kích thích là khơng cần thêm một nguồn điện ngồi nhƣng vẫn có thể điều chỉnh đƣợc công suất của tua-bin, nhƣợc điểm của nguyên tắc này là hiệu số công suất của máy phát điện thấp và có thiết kế phức tạp.
Hình 4.28: Cấu trúc tua-bin Vensys sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích bởi nam châm vĩnh cửu.
Hình 4.29: Cấu trúc tua-bin Enercon sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích từ dịng điện ngồi.
Hình 4.30: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin Enercon E70 .
4.3. Các loại máy phát điện khác.
4.3.1. Máy phát điện cao áp – HVG (Highvoltage generator).
Thơng thƣờng, máy phát điện Tua-bin điện gió có điện áp là 690V và do đó nó địi hỏi một biến áp trên thùng Nacelle hoặc ở dƣới chân của tháp gió. Việc tăng điện áp của máy phát điện là để giảm dòng điện và do đó làm giảm tổn thất và tổn hao nhiệt. Điều này có thể dẫn đến giảm kích thƣớc của máy phát điện và tăng hiệu quả của Tua-bin gió, đặc biệt là ở tải cao hơn. Nếu điện áp của máy phù hợp với điện áp lƣới điện, việc kết nối với lƣới điện sẽ không cần biến áp. HVG đƣợc sản xuất nhƣ máy phát điện đồng bộ và nhƣ máy phát điện không đồng bộ. HVG là máy phát điện
điện áp xoay chiều thích hợp cho các Tua-bin gió cơng suất lớn hơn 3MW. Những khó khăn chủ yếu là chi phí cao của tồn bộ hệ thống, nó khơng chắc chắn về lợi ích dài hạn và yêu cầu an tồn, trong đó có nhiều phức tạp hơn so với các máy điện áp thấp. Giá của HVG, các thiết bị điện tử và thiết bị phụ trợ, chẳng hạn nhƣ bộ chuyển mạch (switchgears), tăng đáng kể với kích thƣớc của máy phát điện. Giá có thể giảm trong tƣơng lai nếu số lƣợng của Tua-bin gió với HVG tăng đáng kể.
Cho đến nay, chỉ có rất ít ngun mẫu Tua-bin gió đã đƣợc thiết kế. Các cơng ty khác nhau có khởi xƣớng, với thành cơng khơng lớn trong các dự án nghiên cứu khác nhau trên Tua-bin gió HVG trong vài năm qua. Lagerwey đã bắt đầu sản xuất hàng loạt loại LW72 Tua bin 2MW với một máy phát điện đồng bộ với một điện áp đầu ra là 4 kV. Trái ngƣợc với những gì đã đƣợc dự kiến, loại Windformer/ABB 3MW chƣa đƣợc thành công. Tuy nhiên, hiện nay khơng có nhiều tua-bin gió thƣơng mại có sẵn với HVG. Thay vì sử dụng HVG, xu hƣớng đã đƣợc thay đôit theo hƣớng di chuyển biến áp vào vỏ bọc động cơ.
4.3.2. Máy phát điện từ hóa chuyển đổi – TWRG (The switched reluctance generator).
Động cơ SRG đã xuất hiện trong những năm qua rất thiết thực và cơ cấu cơ khí đơn giản, hiệu quả cao, chi phí giảm và nó tạo điều kiện để loại bỏ các hộp số (Kazmierkowski, Krishnan và Blaabjerg, năm 2002). Nó rất hấp dẫn cho các ứng dụng hàng khơng vũ trụ vì có khả năng tiếp tục hoạt động khi giảm các đầu ra trong sự hiển thị lỗi trong máy phát điện riêng của nó. Khảo sát các thuộc tính tích cực và tiêu cực của SRG nằm trong LH Hansen et al (2001). Các tài liệu về SRG liên quan đến tua-bin gió là khơng đáng kể và nhiều năm nghiên vẫn cịn phải đƣợc thực hiện trƣớc khi SRG đƣợc đƣa ra ứng dụng trong tua-bin.
SRG là một máy phát điện đồng bộ với cấu trúc gấp đôi cực lồi, cực lồi trên stator và cả rotor. Kích thích của từ trƣờng đƣợc cung cấp bởi dịng s tato giống nhƣ cách nó đƣợc cung cấp trong máy phát điện cảm ứng. SRG đƣợc coi là kém hơn so với máy PMSG bởi vì mật độ điện năng thấp hơn. SRG địi hỏi một công cụ chuyển đổi điện áp tỉ lệ tự nhiên (full-scale power converter) để hoạt động nhƣ một máy phát điện nối lƣới. Hơn nữa, SRG có hiệu quả thấp hơn so với một PMSG và điện áp là thấp hơn
so với máy phát điện không đồng bộ (Theo Kazmierkowski, Krishnan and Blaabjerg, năm 2002).
4.3.3. Máy phát điện ngang dòng – TFG (Transverse flux generator).
Bản chất của hoạt động của nó giống một máy phát đồng bộ. Máy phát điện ngang dòng bao gồm một số lƣợng rất lớn các cực, điều đó có thể làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trực tiếp không dùng hộp số. Tuy nhiên, TFG có rị rỉ điện cảm tƣơng đối lớn. Trong máy phát, điện từ trở có thể tạo ra hệ số cơng suất rất thấp lúc hoạt động bình thƣờng, và dịng ngắn mạch là khơng đủ lớn để tác động bộ phận bảo vệ. Một bất lợi của TFG là số lƣợng lớn các bộ phận riêng lẻ nên nó địi hỏi sử dụng một công nghệ lắp ghép. Với sự tiến bộ của cơng nghệ năng lƣợng, tình trạng này sẽ sớm đƣợc cải thiện.
CHƢƠNG 5: KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG ĐIỆN GIÓ TẠI VIỆT NAM. TẠI VIỆT NAM.
5.1. Ứng dụng xây dựng nhà máy điện gió tại khu vực bắc Bình Thuận. Dự Án điện gió Phú Lạc thuộc xã Phú Lạc, huyện Tuy Phong. Án điện gió Phú Lạc thuộc xã Phú Lạc, huyện Tuy Phong.
Theo Quy hoạch điện VII, tổng công suất nguồn điện gió đƣợc phát triển từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020, khoảng 6.200 MW vào năm 2030; điện năng sản xuất từ nguồn điện gió chiếm tỉ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030. Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam là nƣớc có tiềm năng gió lớn nhất trong khu vực Đơng Nam Á. Hơn 39% tổng diện tích VN đƣợc ƣớc tính có tốc độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/giây ở độ cao 65m. Trong đó, những khu vực hứa hẹn nhất cho phát triển điện gió chủ yếu nằm ở các vùng ven biển và cao nguyên miền Nam Trung Bộ và miền Nam của Việt Nam. Cũng theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế Giới, ƣớc lƣợng khoảng 8,6% tổng diện tích lãnh thổ Viêt Nam có tiềm năng gió với mức từ “cao” đến “rất cao”, phù hợp cho việc triển khai tuabin gió cỡ lớn (với tốc độ gió trên 7,0 m/s).
Bảng 5.1: So sánh các kết quả giữa EVN và Ngân hàng Thế Giới, tốc độ gió tại một số địa điểm theo tạp chí khoa học cơng nghệ.
STT Địa điểm Vận tốc gió trung bình ở độ cao 65 m trên mặt đất (m/s)
EVN WB
1 Móng Cái, Quảng Ninh 5,80 7,35
2 Van Lý, Nam Định 6,88 6,39
3 Sầm Sơn, Thanh Hóa 5,82 6,61
4 Kỳ Anh, Hà Tĩnh 6,48 7,02
5 Quảng Ninh, Quảng Bình 6,73 7,03
6 Gio Linh, Quảng Trị 6,53 6,52
8 Tu Bong, Khánh Hòa 5,14 6,81
9 Phƣớc Minh, Ninh Thuận 7,22 8,03
10 Đà Lạt, Lâm Đồng 6,88 7,57
11 Tuy Phong, Bình Thuận 6,89 7,79
12 Duyên Hải, Trà Vinh 6,47 7,24
Tạp chí khoa học cơng nghệ xây dựng
số 10/9-2011
13 Hải Phòng 6,7
14 Huế 7,4
15 Quảng Ngãi 6,6
16 Tuy Hòa, Phú Yên 7,5
17 Pleiku 7,0
18 Buôn Mê Thuột 7,0
19 Bạc Liêu 6,8
20 Thạnh Phú, Bến Tre 7,5
21 Côn Sơn, Bà Rịa - Vũng
Tàu 8,5
22 Sóc Trăng 6,3
23 Cà Mau 7,5
24 Tiền Giang 7,0
Năm 2007 EVN đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió cho sản xuất điện. Nghiên cứu đã xác định đƣợc các vùng thích hợp cho phát triển điện gió với tổng cơng suất kỹ thuật khoảng 1.785 MW. Trong đó, miền Trung nơi đƣợc xem là có tiềm năng gió lớn nhất trên cả nƣớc với khoảng 880 MW tập trung chủ yếu 2 tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến vùng có tiềm năng đứng thứ 3 là miền Nam với khoảng 885 MW, tập trung chủ yếu ở 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.
STT Miền Tiềm năng kỹ thuật (MW) 1 Bắc 50 2 Trung 880 3 Nam 855 Tổng cộng 1.785
Bình Thuận với điều kiện tự nhiên vơ cùng thuận lợi có đƣờng bờ biển trải dài, là một trong những tỉnh miền Trung có tiềm năng gió rất lớn đặc biêt là khu vực xã Phú Lạc có tốc độ gió trung bình là 7,8 m/s đo ở độ cao 65 m so với mặt đất. Tỉnh nhà đang có nhiều dự án rất lớn nhƣ sân bay Phan Thiết… do vậy nhu cầu sử dụng điện rất cao nên đề xuất xây dựng nhà máy điện gió góp phần phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh và đảm bảo an ninh năng lƣợng quốc gia.
5.1.1. Khảo sát địa điểm.
Tại Bình Thuận, kết quả khảo sát cho thấy đây là một trong những tỉnh có tiềm năng phát triển năng lƣợng gió rất lớn và đã đƣợc đƣa vào quy hoạch phát triển điện gió. Thơng thƣờng, với trình độ cơng nghệ tiên tiến hiện nay chỉ cần sức gió 3m/s là các tuabin đã vận hành phát điện;
Dự án nhà máy điện gió có tổng cơng suất 24MW với 12 trụ tuabin phát điện, mỗi tuabin có cơng suất 2MW, xây dựng trên diện tích 400 ha trên Khn viên Nhà máy và bãi đặt động cơ gió đƣợc bố trí trên tồn bộ đồi cát thuộc xã Phú Lạc. Ngoài địa hình, qua khảo sát về chế độ và tốc độ gió cho thấy, Nhà máy sẽ hứng đƣợc 2 hƣớng gió chủ đạo quanh năm: Hƣớng gió Đơng Bắc thuộc thời kỳ gió mùa – mùa đơng và hƣớng gió Tây Nam thuộc thời kỳ gió mùa- mùa hè. Với chế độ gió qua khảo sát đƣợc trên địa bàn thì từ 10 giờ đến 21 giờ, tốc độ gió cao hơn thời gian từ 22 giờ đến 9 giờ trong ngày. Do đó,việc phát điện của Nhà máy Điện gió sẽ góp phần đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng điện của địa phƣơng.
Hình 5.1: Vị trí nhà máy Phong Điện Phú Lạc trên bản đồ.
Hình 5.2: Vị trí phân bố trụ gió được xây dựng tại xã Phú Lạc.
5.1.2. Tính tốn tua-bin gió. 5.1.2.1. Cơng thức tính tốn. 5.1.2.1. Cơng thức tính tốn.
Hệ thống điện gió. Trong đó:
P: Cơng suất của dịng gió ở điều kiện bình thƣờng. Pm: Công suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió. Pt: Công suất sau khi qua bộ truyền động.
Pe: Công suất điện ngõ ra của máy phát điện. a. Cơng suất của dịng gió ở điều kiện bình thƣờng.
1 . . 3 1 . .R .2 3 2 2 P A v v (W) Trong đó: v: Tốc độ gió [m/s]. : Mật độ của khơng khí = 1,225 [kg/m3]. A: Thiết diện của dịng gió đi qua = 2
.R
[m2]. b. Công suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió.
1 . . . 3 1 . . .R .2 3 . 2 2 m P P P P C A v C v C P (W) Trong đó: CP: Hệ số Betz = 0,59259. c. Công suất sau khi qua bộ truyền động.
Pt m.Pm (W)
Trong đó: m là hiệu suất của bộ truyền động. Thất thoát truyền động chủ yếu do độ ma sát của bánh răng của hộp số và trụ đỡ của trục xoay. Tỉ lệ thất thoát chủ yếu phụ thuộc vào chất lƣợng bộ truyền động. Thơng thƣờng tỉ lệ thất thốt ở mỗi tầng bánh răng là 1% đến 2%.
Pe g.Pt (W)
Trong đó: g là hiệu suất của máy phát điện gió. Đối với những máy phát chất lƣợng tốt có hiệu suất là 0,85 với cơng suất định mức là 2KW, là 0.9 đối với 20KW và bằng 0,96 đối với máy phát có cơng suất định mức là 2MW (Nguồn: chƣơng 4 trang 16 - 17 trong: “Wind energy Systems by Dr. Gary L. Johnson”).
5.1.2.2. u cầu mỗi tua-bin có cơng suất định mức 2MW. a. Bán kính cánh quạt.
Dựa vào cơng thức tính cơng suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió ta tính đƣợc bán kính diện tích mặt đón gió của cánh quạt từ đó ta có thể chọn đƣợc bán kính cánh quạt của tua-bin điện gió muốn sử dụng.
6 3 3 1,8.10 57( ) 0,5. P. . . 0,5.0,59259.1, 225. .(7,8) P R m C v
Theo số liệu khảo sát của EVN tốc độ gió tại xã Phú Lạc, Bình Thuận ở độ cao 65m là 7,8m/s nhƣng thực tế có thể cao hơn tốc độ gió trung bình này.
b. Số lƣợng cánh quạt.
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.
Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên họat động ổn định hơn tua-bin điện gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ cơng 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.
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. (Nguồn: Điện gió & quạt gió bơm nƣớc – Nguyễn Ngọc) Vì vậy ta chọn tua-bin điện gió có số cánh quạt là ba.
c. Chiều quay của cánh quạt tua-bin điện gió.
Về phƣơng diện vật lý, cơng suất của tua-bin điện gió khơng lệ thuộc vào chiều quay của hệ thống cánh quạt và hiện nay cũng khơng có một tiêu chuẩn riêng, thế nhƣng hầu nhƣ tất cả mọi nhà sản xuất tua-bin điện gió trên thế giới đều định chiều quay của hệ thống cánh quạt, quan trắc từ hƣớng gió thổi đến là chiều kim đồng hồ. d. Trụ.
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 đƣờng kính cánh quạt là từ 1,0 đến 1,4. Lọai trụ cao đƣợc lắp đặt tại vùng đồi núi hoặc