Ƣu điểm: Hệ số công suất cao. Hệ số tốc độ gió đầu cánh cao. Cơng suất tạo ra cao hơn.
Nhƣợc điểm: Lực tác động và lực xoắn không đƣợc phân bố đều nên độ bền những chi tiết cơ bị ảnh hƣởng. Độ rung hệ thống không ổn định. Độ ồn phát sinh cao.
Thời gian đầu của công nghiệp điện gió, tua-bin trục ngang đƣợc thiết kế có hƣớng đón gió từ phía sau (down wind rotor) nhƣng phƣơng pháp này có nhiều nhƣợc điểm nhƣ dịng gió ln bị nhiễu động do gió thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt, đặc biệt đối với những trụ điện có cơng suất cao, lực tác động vào tua-bin điện gió khơng đƣợc phân bố đều làm ảnh hƣởng đến độ bền của cánh quạt và của cả hệ thống, ngoài ra độ ồn phát sinh cao và có khả năng dây cáp điện bên trong thân trụ bị cuốn khi tua-bin điện gió quay nhiều về một hƣớng. Ƣu điểm của loại tua-bin điện gió này là khơng cần hệ thống chỉnh hƣớng gió vì tua-bin nhẹ nên tự quay đƣợc mặt sau đến chiều hƣớng gió.
Tua-bin đón gió từ phía sau Tua-bin đón gió từ phía trước (down wind rotor) (up wind rotor)
Hình 3.4: Hướng đón gió của tua-bin.
Với ƣu điểm này loại tua-bin điện gió trục ngang đón hƣớng gió từ phía sau chỉ thích hợp cho những loại tua-bin có cơng suất thấp. Từ khoảng năm 1995 tua-bin điện gió đƣợc thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau khơng cịn đƣợc sử dụng rộng rãi. Phần lớn những loại tua-bin điện gió hiện đại đƣợc thiết kế có hƣớng đón gió từ phía trƣớc (up wind rotor).
Bảng 3.1: Tỉ lệ tua-bin điện gió đón gió từ phía sau và đón gió từ phía trước.
Tỉ lệ phần trăm tua-bin đón gió từ phía sau và phía trƣớc
Năm 1989 1990 1991 1992 1994 1995
Tua-bin đón gió từ phía sau 18% 8% 7% 4% 1% 0%
Tua-bin đón gió từ phía trƣớc 82% 92% 93% 96% 99% 100%
Việc điều chỉnh nguồn gió ổn định để sử dụng tƣơng đối phức tạp, tuy nhiên trong những năm gần đây yếu tố này đã đƣợc hạn chế một phần do cánh quạt đƣợc
đƣợc tua-bin theo hƣớng gió tại đầu thân trụ. Ngoài ra hệ thống điều khiển sự hoạt động của tua-bin điện gió và những hệ thống khác đặt trong thùng Nacelle hoặc trong thân trụ hoặc bên ngoài cũng đƣợc cải thiện hoàn chỉnh hơn.
1. Cánh quạt 11. Máy phát điện 2. Đùm 12. Vòng nối trục 3. Khung, giá đỡ 13. Bánh thắng Rotor 4. Bộ phận nối Azimuth 14. Hộp số
5. Bộ phận thắng Azimuth 15. Giá đỡ hộp số 6. Động cơ Azimuth 16. Truc Rotor 7. Ca-bin 17. Ổ đỡ trục
8. Không gian hở cho cẩu 18. Bộ phận nối Pitch 9. Hệ thống trao đổi nhiệt lƣợng 19. Động cơ Pitch 10. Thiết bị đo gió
Hình 3.5: Mặt cắt tua-bin điện gió sử dụng hộp số Nordex N100/2500-Đường kính cánh quạt: 99,8m-cơng suất 2,5MW.
3.2. Cánh quạt.
Cánh quạt tua-bin điện gió là bộ phận đón gió để quay và chuyển cơ năng vào hộp số rồi vào máy phát điện hoặc chuyển thẳng cơ năng vào máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Dựa trên những nguyên tắc về khí động lực học, cánh quạt đƣợc tạo dáng,
thiết kế phù hợp với những tình trạng khác biệt của dịng khơng khí chuyển động nhƣ tốc độ gió, hƣớng gió, áp suất, mật độ, độ ẩm và nhiệt độ tại mơi trƣờng khơng khí của nơi lắp đặt tua-bin điện gió. Những cánh quạt tua-bin điện gió hiện đại thƣờng đƣợc làm bằng những vật liệu composite có độ bền cao và nhẹ kết hợp với nhơm hoặc thép cứng.
Cấu hình cánh quạt đƣợc thiết kế thon và dài, bên trong thân cánh rỗng và có những phần chịu lực, bề mặt là những lớp nhựa tổng hợp và sơn bảo vệ. Đƣờng kính cánh quạt tùy theo cơng suất, lớp gió tiêu chuẩn của tua-bin và cơng nghệ nên có kích thƣớc khác nhau
Ví dụ: Tua-bin điện gió Nordex N150-6000 cơng suất 6MW, đƣờng kính cánh
quạt là 150m hoặc Siemens E-SWT-6.0-154 đƣờng kính cánh quạt là 154m hoặc tua- bin điện gió Enercon E-126 cơng suất 7,5MW đƣờng kính cánh quạt là 127m hoặc Vestas V90 cơng suất 2MW đƣờng kính cánh quạt là 90m
3.2.1. Định luật Betz trong ứng dụng thiết kế cánh quạt.
Năng lƣợng gió là nguồn năng lƣợng do chuyển động của khơng khí với một tốc độ trong một thời gian nhất định. Theo định luật Betz, (Nhà vật lý ngƣời Đức – Albert Betz 1885-1968) về Động lực học khí quyển thì nguồn năng lƣợng gió này không thể chuyển tất cả sang một loại năng lƣợng khác.
Khi một khối lƣợng gió thổi vào tua-bin điện gió làm cánh quạt quay, năng lƣợng của gió chuyển vào cánh quạt thành cơ năng. Nguồn năng lƣợng mà gió chuyển vào cánh quạt phụ thuộc vào vận tốc gió, mật độ của khơng khí và diện tích mặt đón gió của cánh quạt.
Cơ năng E của một khối lƣợng khơng khí m chuyển động với tốc độ v là:
2 1 . 2 E m v Trong đó:
E: Cơ năng của năng lƣợng gió [Nm]. m: Khối lƣợng khơng khí [kg].
Thể tích khối lƣợng khơng khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là:
V = v.A
Khối lƣợng khơng khí chuyển động cịn phụ thuộc vào mật độ của khơng khí
.
. .
m A v
Công suất P thu đƣợc lệ thuộc vào khối lƣợng khơng khí chuyển động, tốc độ gió, mật độ của khơng khí , thiết diện A của vòng quay cánh quạt.
2 3 1 1 . . . 2 2 P m v A v Trong đó: P: Công suất [W]. m: Khối lƣợng khơng khí [kg/s]. v: Tốc độ gió [m/s]. : Mật độ của khơng khí [kg/m3].
A: Thiết diện của vòng quay cánh quạt [m2]. Với sự khác biệt của tốc độ gió tại cánh quạt và sau cánh quạt thì:
1 1 2 2 . . . . m A v A v Và công suât P sẽ là : 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 1 . . (v ) (v ) 2 2 P v A v m v
m : Khối lƣợng khơng khí. v1 : Tốc độ gió.
vT : Tốc độ gió tại cánh quạt. v2 : Tốc độ gió sau cánh quạt. A : Thiết diện của dịng gió đi qua. Tốc độ gió tại tâm cánh quạt vT là :
1 2
2
T
v v v
Khối lƣợng khơng khí tại cánh quạt là :
1 2 1 . . . .( ) 2 T m A v A v v Công suất P sẽ là : 2 2 1 2 1 2 1 1 . ( ). ( ) 2 2 P A v v v v
Hệ số công suất lý tƣởng CP đƣợc tính theo cơng suất thực của gió và cơng suất tua-bin có thể thu đƣợc : 2 2 1 2 1 2 3 0 1 1 . .(v ).( ) 4 1 . . 2 P A v v v P C P A v
Tỉ lệ giữa tốc độ gió tại cánh quạt và phía sau là v2/v1 nên hệ số này chỉ lệ thuộc vào lực cản gió và hệ số cơng st sẽ là :
2 3 2 2 2 1 1 1 1 1 2 P v v v C v v v
Hình 3.7: Tỉ số vận tốc v2/v1.
CP cực đại khi vận tốc là: v2/v1 = 1/3 nên:
Khi tua-bin điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, cơng suất thu đƣợc khơng bị thất thốt là P, mật độ của khơng khí khơng thay đổi, áp suất phía trƣớc và sau cánh quạt khơng khác biệt thì tua-bin điện gió chỉ có thể thu đƣợc từ cánh quạt với hệ số công suất CP tối đa là :
CPmax=16/27=0,59259
Nhƣ thế động năng thu đƣợc trong dịng gió là 59,259%. Tỉ lệ cơng suất tối đa thu đƣợc này vì thế đƣợc gọi là hệ số công suất Betz hoặc hệ số Betz.
Định luật bảo toàn động lƣợng là cơ sở của nguồn cơ năng từ gió của hệ thống cánh quạt. Theo nguyên lý cơ bản về cánh quạt thì cơng suất thu đƣợc phụ thuộc vào cấu hình của cánh quạt và những nhân tố của dịng gió.
Nhƣ thế cơng suất cơ năng lý tƣởng Plý tƣởng của hệ thống cánh quạt lệ thuộc vào tốc độ gió, mật độ khơng khí, hệ số Betz và diện tích mặt đón gió của cánh quạt và đƣợc tính theo phƣơng trình: Plý tƣởng 1 3 2 P C Av Trong đó: Plý tƣởng: Công suất [W]. CP: Hệ số Betz = 0,59259.
v: Tốc độ gió [m/s].
: Mật độ của khơng khí = 1,225 [Kg/m3]. A: Thiết diện của dịng gió đi qua [m2].
Để tính tốn cơng suất điện có thể thu đƣợc phải tính đến hệ số cơng suất của máy phát điện và hệ số công suất của hộp số, nhƣ thế công suất điện Pđiện sẽ là:
Pđiện 1 3 2 P C Av Trong đó: Plý tƣởng: Công suất [W]. CP: Hệ số Betz = 0,59259. v: Tốc độ gió [m/s]. : Mật độ của khơng khí = 1,225 [Kg/m3]. A: Thiết diện của dịng gió đi qua [m2].
: Hệ số công suất của máy phát điện và hộp số.
Vì thế tốc độ gió là yếu tố quan trọng nhất của cơng suất. Khi tốc độ gió tăng 2 lần thì cơng suất đạt đƣợc tăng theo lũy thừa 3.
3.2.2. Thiết kế cánh quạt.
Cánh quạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học và định luật Betz để tạo đƣợc công suất cao ổn định, kể cả ở tình trạng điều chỉnh số vòng quay của hệ thống cánh Rotor cũng nhƣ những yếu tố chi tiết khác nhƣ độ ồn phát sinh, tần số rung khi hoạt động. Cấu hình cánh quạt đƣợc thiết kế dài, có bề mặt cong để thân cánh có đƣợc diện tích đón gió cao, tăng lực tác động F và giảm lực cản Fc, tại đầu nhọn của cánh quạt nơi mà tốc độ quay cao nhất của cánh phải có sức ma sát ít nhất.
Khi dịng gió thổi vào cánh quạt thì dịng gió bị phân tán và áp suất ở mặt trên sẽ tăng cao hơn mặt dƣới. Sự khác biệt vùng áp suất tạo ra một lực tác động F luôn thẳng đứng với dịng gió tác động vào cánh quạt. Lực tác động này là nguyên nhân làm quay cánh quạt.
Khi cánh quạt đƣợc chỉnh mặt đón gió nhiều hơn với phƣơng thức chỉnh góc quay α từ 160 đến 190, lực tác động F sẽ tăng cao hơn lực cản Fc rất nhiều (lực cản Fc đƣợc tạo ra từ sự ma sát của dịng gió trên bề mặt cánh quạt).
Khi góc chỉnh α từ 30 đến 190 thì lực cản Fc sẽ khoảng từ 0,2 đến 0,01% của lực tác động F. Lực cản Fc này sẽ tăng nhanh khi góc chỉnh α lớn hơn 200, vì thế hầu nhƣ góc chỉnh của những tua-bin điện gió hiện đại chỉ nằm trong giới hạn từ 40
đến 200.
Hình 3.8: Sự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc <200.
Lực tác động F phụ thuộc vào hệ số của lực tác động cA, mật độ của khơng khí, diện tích (chiều rộng và chiều dài của cánh quạt) của dịng gió đi qua và tốc độ gió.
F=cA/2Av2 Trong đó:
cA: Hệ số của lực tác động theo góc α. : Mật độ của khơng khí.
A: Diện tích của dịng gió đi qua. v: Tốc độ gió.
Vì thế với việc chỉnh góc đón gió của cánh quạt, ta có thể chỉnh đƣợc lực tác động vào cánh quạt, có nghĩa là chỉnh đƣợc số vịng quay của hệ thống rotor hoặc cụ thể hơn là chỉnh đƣợc cơng suất của tua-bin điện gió.
Cấu hình cánh quạt tùy theo cơng nghệ và việc chọn lựa vật liệu nên có nhiều thiết kế khác nhau nhƣng phần lớn đều dựa trên kinh nghiệm cấu hình chế tạo cánh máy báy nhƣ của Hội đồng tƣ vấn hàng không NACA-Mỹ (National Advisory
Committee for Aeronautics) hoặc Viện Khí động lực học Nga với cấu hình TsAGI hoặc những viện nghiên cứu khác cũng nhƣ những Nhà khoa học Khí động lực học, ví dụ nhƣ cấu hình FX (Franz Xaver Wortmann), cấu hình YH (Clark Profile), cấu hình HQ (Horstmann/Quast) vv...
Hình 3.9: Những thiết diện và cấu hình khác nhau của cánh quạt điện gió.
Trong những cấu hình này những số phía sau có ý nghĩa về mặt cong, tỉ lệ chiều dài…, Ví du: Cấu hình NACA 2412 có nghĩa là cánh có độ cong tối đa là 2% tại 40% từ đầu cánh và độ dày tối đa là 12% của cánh.
Bảng 3.2: Sức bền vật liệu trong cơng nghiệp chế tạo cánh quạt điện gió.
Hình 3.11: Cánh quạt tua-bin Growian.
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 cịn 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