Cánh quạt turbine

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

2.4 Cấu tạo hệ thống năng lượng gió

2.4.3 Cánh quạt turbine

Cánh quạt turbine làm từ gỗ nén, sợi thủy tinh hay các vịng oxy ghép lại. Ngày nay, mợt turbine gió hiện đại thường có 2 hoặc 3 cánh quạt. Khó khăn về cơ khí song hành trong thiết kế vì những lực ly tâm và lý thuyết mọi sự rung đợng liên tục. Ngồi ra sự giới hạn của cơ khí tối thiểu để chống chọi với những cơn gió lớn đi kèm với việc điều khiển bảo vệ những cánh quạt, máy phát khi làm việc quá tải hay quá nhiệt. Vấn đề quan trọng trong thiết kế là đặt hệ số công suất cực đại, cánh quạt to hay nhỏ sẽ đem lại sự khác biệt lớn trong tiếp nhận và chuyển đổi năng lượng cơ. Cả mối quan hệ về trọng lượng với tháp đỡ, chiều dài cánh quạt với chiều cao của tháp cũng phải

quan tâm. Mặt khác, tương ứng với công suất nhận được thì giá thành trong lắp đặt sẽ phải tính tốn để đạt mức tối ưu, giá thành tốt nhất.

2.4.4 Bộ phận điều khiển hướng gió

Bợ phận điều hướng điều chỉnh hướng turbine liên tục theo chiều gió. Nó có thể đơn giản là cánh quạt đi hay phức tạp hơn trên những tháp hiện đại. Hệ thống yaw sẽ trượt theo mệnh lệnh có sự giám sát giải thuật điều khiển thích hợp. Những cánh quạt quay với moment lớn ở trên cao trong thời gian chuyển hướng thường dẫn đến tiếng ồn. Sự trượt quá nhanh có thể sinh ra tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép, cho nên phải được kiểm soát liên tục.

2.4.5 Yaw motor

Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió. Hướng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo mùa. Turbine điện gió muốn đạt được hiệu quả về cơng suất cũng phải chỉnh theo hướng gió, đặc biệt là những turbine điện gió trục ngang. Phương pháp chỉnh turbine theo hướng gió gồm hai loại: phương pháp chỉnh thụ đợng và phương pháp chỉnh tích cực.

Trong phương thức chỉnh thụ động, hệ thống cánh quạt khi quay sẽ tùy theo hướng gió và quay đến vị trí có hướng gió mạnh nhất nhờ đi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Nacelle. Tuy nhiên phương pháp này chỉ có thể áp dụng được đối với những turbine điện gió có trọng lượng thấp, cơng śt từ 5 đến 20 kW và đường kính cánh quạt khoảng 10 mét.

Hầu hết turbine điện gió cỡ trung và lớn hiện nay đều áp dụng phương pháp chỉnh turbine theo hướng gió tích cực, với phương pháp này, việc quay hệ thống rotor về hướng gió thổi được thực hiện bằng những động cơ thủy lực hoặc động cơ điện và được gọi là đợng cơ góc phương vị (Azimuth motor hoặc Yaw motor).

2.4.6 Hộp số

Hệ thống cánh quạt của turbine điện gió có tốc đợ số vịng quay thấp và thông thường từ 3,5 đến 22 vịng trong mợt phút, những turbine điện gió loại hai cánh cũng chỉ hoạt

động tối đa đến tốc đợ số vịng quay là 49 vịng trong mợt phút. Tốc đợ số vịng quay của máy phát điện (ngọai trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thông thường từ 900 đến 2000 vịng trong mợt phút.

Để chuyển đổi tốc đợ số vịng quay của hệ thống rotor trên cao, hợp số được lắp đặt sau trục chính của rotor. Hợp số có chức năng chuyển tốc đợ số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên tốc đợ số vịng quay cao của máy phát điện. Tỉ lệ truyền đợng của hợp số có thể lên đến 1:100, thí dụ như tốc đợ số vịng quay của hệ thống Rotor là 10 vịng trong mợt phút thì tốc đợ chuyển đổi sau hợp số sẽ là 1000 vịng trong mợt phút.

2.4.7 Bộ hãm tốc độ

Đây là bộ hãm hay cịn được gọi là phanh. Bợ phận này dùng để trong trường hợp khẩn cấp motor có thể dừng hoạt đợng, nó hoạt đợng bằng sức nước hoặc bằng cấu kết động cơ.

2.4.8 Máy phát điện trong turbine gió

Máy phát điện là mợt thành phần quan trọng, vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng của turbine thành điện năng. Trong một hệ thống phát điện, việc thiết kế và chọn máy phát điện phải phù hợp với loại turbine đã đuợc lựa chọn. Các turbine này được thiết kế với việc ưu tiên cho các phương pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió từng vùng. Các máy phát điện ở đây không chỉ được sử dụng để biến đổi năng lượng mà cịn dùng để điều khiển điện áp thơng qua tốc độ quay của turbine.

Turbine được nối trực tiếp với rotor của máy phát thông qua một trục truyền động, tức là trực tiếp điều khiển máy phát. Loại máy phát này sẽ có tốc đợ quay chậm hơn so với các loại máy phát thơng thường. Do đó nó được thiết kế với số lượng điện cực nhiều để đạt được cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao. Việc điều khiển trực tiếp giúp loại bỏ tổn thất, bảo dưỡng và các chi phí liên quan đến hợp số. Mợt số nghiên cứu cho thấy hộp số là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các hư hỏng của turbine gió. Hơn nữa, điều khiển trực tiếp làm giảm liên kết xoắn trên các trục truyền động bởi tần số dao động riêng.

2.4.9 Bộ phận đo tốc độ gió

Cơng nghệ turbine gió đã thay đổi mợt cách đáng kể. Những turbine lớn ngày nay được lắp đặt đều hướng đến điều khiển tốc đợ dựa trên sự kết hợp điều khiển cơ khí và điện tử cơng śt tự đợng. Những máy nhỏ thì điều khiển đơn giản bằng tay, chi phí năng lượng thấp. Các phương pháp điều khiển tốc đợ có những phương pháp sau:  Khơng điều khiển: trong truờng hợp này turbine và máy điện được thiết kế để

sẵn sàng chống chọi mọi cơn gió.

 Điều khiển nghiêng, lệch hướng: trục rotor được điều khiển lệch hướng gió khi tốc đợ gió vượt ra khỏi giới hạn cho phép khi thiết kế.

 Điều khiển xoay cánh quạt: Thay đổi góc của cánh quạt trên trục turbine tương ứng với thay đổi tốc đợ gió.

 Lẩn tránh cơn gió: trong phương pháp này, khi tốc đợ gió vượt ra khỏi tốc độ cho phép, những cánh quạt được di chuyển vào vị trí an tồn. Bợ phận đo tốc đợ gió ln cập nhật tốc đợ gió và hướng gió sau đó chuyển tín hiệu gió đo được về bợ phận điều khiển để điều chỉnh góc pitch nhằm phát ra cơng śt tối ưu nhất.

2.4.10 Phần ứng

Là bộ phận bao gồm các cánh quạt và trục. Tốc độ rotor được điều chỉnh theo sự kết hợp của góc pitch, bợ điều khiển moment xoắn của máy phát và bộ chuyển đổi. Trong điều kiện thơng thường vịng quay của rotor quay theo chiều kim đồng hồ khi quan sát từ vị trí hướng gió bắt đầu.

2.4.11 Bộ điều khiển

Bộ điều khiển sẽ khởi đợng đợng cơ ở tốc đợ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng.

2.4.12 Góc pitch

đợ gió ln thay đổi nên việc điều chỉnh tăng hay hạn chế cơ năng từ dịng gió là yếu tố quan trọng để turbine gió có thể hoạt đợng ổn định lâu dài.

Bợ điều khiển góc pitch của turbine cho phép rotor điều chỉnh được tốc đợ. Khi đợ gió thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt diện tích đón gió để đạt được cơng śt tối ưu. Khi tốc đợ gió tăng cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió để có được cơng śt ổn định. Nếu tốc đợ gió q cao, thì hệ thống cánh quạt sẽ gập cánh lại và khơng chỉnh mặt đón gió để ngưng hoạt đợng, khơng làm hư hại đến turbine

2.4.13 Vỏ máy phát điện

Bợ phận này chính là phần vỏ. Nó gồm có vỏ bọc ngồi và vỏ máy phát điện gió. Cấu tạo này đặt ở vị trí phía trên đỉnh trụ. Gồm các thành phần: gear box, generator, speed shafts, brake, controller. Chúng được dùng để làm vỏ bọc, bảo vệ, che chở cho các thành phần cấu tạo bên trong. Phần vỏ này phải đủ rợng để chứa các phần bên trong đó.

2.5 Các loại máy phát điện trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Trong hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió có rất nhiều máy phát điện được sử dụng như:

 Máy phát điện đồng bộ  Máy phát điện cảm ứng

 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc  Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

 Máy phát điện không đồng bộ cảm ứng nguồn kép.

Phần lớn máy phát điện trong turbine điện gió tạo ra dịng điện xoay chiều ba pha, tương tự những máy phát điện thơng thường. Tùy theo loại turbine điện gió mà máy phát điện có điện thế và công suất khác nhau:

 Điện áp 12 V, 24 V hoặc 48 V: Turbine điện gió dưới 2 kW.  Điện áp 120 V đến 240V: Turbine điện gió từ 2 đến 10 kW.  Điện áp 400 V: Turbine điện gió đến 600 kW.

 Điện áp 400 V: Turbine điện gió trên 1,0 MW khơng hợp số.  Điện áp 690 V: Tua bin đi ện gió trên 600 kW có/khơng hợp số.

Tua bin gió là mợt trong những thành phần quan trọng nhất của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) chuyển đợng năng của gió thành điện năng hoặc các dạng năng lượng khác. Mợt loạt các cơng nghệ turbine gió đã được sử dụng qua nhiều năm, có ba nhóm turbine gió đã được phát triển dựa trên hoạt động với tốc độ cố định hoặc tốc đợ biến đổi, bao gồm:

Nhóm A: Tua bin gió có tốc đợ cố định với bợ chuyển đổi điện trực tiếp

Hệ thống turbine gió tốc đợ cố định bao gồm máy phát điện cảm ứng lồng sóc sóc (SCIG), bợ khởi đợng mềm (soft starter) và một tụ điện (Capacitor Bank), như Hình 2.4, trong đó SCIG được kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua một máy biến áp tăng áp. Bộ khởi động mềm được sử dụng để hạn chế dịng điện lớn khi khởi đợng hệ thống, nhưng một bộ chuyển mạch vịng loại bỏ bợ khởi đợng mềm này sau khi khởi động hệ thống. Các bộ tụ điện thường được yêu cầu để bù lại công suất phản kháng được rút ra bởi máy phát điện. Hệ thống này có những ưu điểm, như hệ thống điện đơn giản, chi phí sản x́t và bảo trì vừa phải và hoạt đợng có đợ tin cậy cao. Tuy nhiên, nó cũng có mợt số nhược điểm. Ví dụ, khơng thể điều chỉnh được công suất ra, dẫn đến dao động công suất ra do tốc đợ gió thay đổi, gây dao đợng điện áp và hiệu ứng nhấp nháy trong trường hợp lưới yếu. Hiện nay, bất chấp những bất lợi như vậy, hệ thống WECS này vẫn được chấp nhận rộng rãi.

t  m  e T Wind PCC Grid ~ Transformer Bypass switch

and soft starter

Capacitor bank

SCIG

Gear Box

Turbine Blade

Hình 2.4 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS)

Đối với nhóm này, nó có thể được chia thành hai loại dựa trên công suất của bợ chuyển đổi điện năng. Loại đầu tiên có giới hạn tốc độ biến đổi với sức cản biến đổi của rotor. Loại tua bin này có phạm vi hoạt động nhỏ hơn 10% so với tốc độ đồng bộ của máy phát điện, phụ thuộc vào sự biến đổi điện trở rotor của máy phát, như thể hiện trong Hình 2.5, trong đó hệ thống sử dụng mợt máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG) với một điện trở biến đổi phụ bổ sung, được điều khiển bởi điện tử cơng śt. Ngồi ra, cần có bợ khởi đợng mềm để giảm dịng rị rỉ và mợt ngân hàng tụ bù được lắp đặt để bù công suất phản kháng của máy phát. Với ý tưởng như vậy, cơng śt đầu ra và đợ trượt có thể được kiểm sốt, vì vậy hệ thống có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ năng lượng gió.

 r  m  e T Wind PCC Grid ~ Transformer Bypass switch

and soft starter

Capacitor bank WRIG

Variable resistance Gear Box

Turbine Blade

Hình 2.5 Cấu hình WECS với điện trở biến đổi.

Do đó, WECS với cấu hình này có ưu điểm, chẳng hạn như mạch đơn giản, chi phí sản xuất và bảo trì vừa phải, đáng tin cậy, giảm tải cơ học và dao đợng điện. Tuy nhiên, nó cũng có mợt số nhược điểm. Ví dụ, phạm vi tốc đợ phụ tḥc vào kích thước của điện trở biến đổi của rotor, điện năng tiêu hao trong điện trở biến đổi, và việc điều khiển công suất tác dụng và phản kháng kém.

Đối với loại thứ hai của nhóm B, nó được gọi là máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG), bao gồm một WRIG và một hệ thống chuyển đổi điện kết nối lưới, như thể hiện trong Hình 2.6. Đối với cấu hình này, bợ khởi động mềm hoặc ngân hàng tụ điện không được sử dụng, trong khi các bộ chuyển đổi điện áp được áp dụng. Việc sử dụng các bộ chuyển đổi điện cho phép dòng điện hai chiều trong mạch rotor và tăng phạm vi điều khiển tốc độ động của máy phát, mở rộng khoảng ±30% quanh tốc độ đồng bợ [13]. Kích thước của bợ chuyển đổi điện là khoảng 30% công suất định mức của

máy phát, do đó chi phí của bợ chuyển đổi điện giảm so với các hệ thống năng lượng gió sử dụng bợ chuyển đổi công suất đầy đủ.

DFIG Transformer Partial scale frequency converter Gear Box WRIG Turbine Blade PCC Grid ~ Wind  r  m  e T

Hình 2.6 Cấu hình WECS với các bợ chuyển đổi có dung lượng thấp.

Những ưu điểm của cấu hình WECS này bao gồm, ví dụ hiệu quả chuyển đổi năng lượng được cải thiện, phạm vi tốc độ máy phát được mở rộng và hiệu suất động năng được tăng cường so với tốc độ cố định và điện trở biến đổi WECS. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của nó là rất nhạy cảm với sự thay đổi đợt ngợt tại điện áp đầu cực của nó và cần phải sử dụng bảo vệ bổ sung trong trường hợp lỗi lưới.

Nhóm C: Tua bin gió tốc đợ biến đổi với bợ chuyển đổi cơng suất đầy đủ. Mợt cấu

hình WECS đầy hứa hẹn đang trở nên phổ biến đối với các turbine gió lắp đặt mới, như thể hiện trong Hình 2.7, trong đó máy phát điện được nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back với một bộ liên kết DC chung (bộ chuyển đổi dung lượng đầy đủ). Nhiều máy như máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn (WRSG), máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc (SGIG) và máy phát điện đồng bợ nam châm vĩnh cửu (PMSG) đều có ứng dụng trong WECS này. Trong nhiều trường hợp, PMSG được coi là một lựa chọn tốt để được sử dụng trong WECS bởi vì nó khơng địi hỏi cung cấp năng lượng cho kích thích, nó có thể hoạt động mà không cần một hộp số nếu WECS sử dụng một máy phát điện đồng bộ tốc độ thấp với một số lượng cực từ lớn hoặc rotor cực lồi. Như vậy, hiệu quả của hệ thống được cải thiện, và chi phí ban đầu và chi phí bảo trì được giảm. Tuy nhiên, nhược điểm chính của nó là nó rất nhạy cảm với nhiệt đợ và nó có thể mất các tính chất từ nếu tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Trong vài năm gần đây, bất kỳ cơng ty lớn như hệ thống gió Vestas, GE Energy và Alstom Pure Torque, việc sản xuất của họ dựa trên loại thứ hai của nhóm B. Bên cạnh đó, khái niệm turbine gió này có những ưu điểm như đã đề cập ở trên so với các loại khác, trong khi nó có nhược điểm là rất nhạy cảm với các nhiễu điện lưới, đặc biệt là dưới điện áp thấp. Ví dụ, khi mợt lỗi lưới bên ngồi xảy ra, mợt điện áp x́t hiện tại thiết bị đầu cuối của máy phát điện, dẫn đến quá điện áp và dòng điện trong mạch rotor và stator và quá điện áp trong liên kết DC, do đó hệ thống máy phát turbine không thể kết nối với lưới trong suốt thời gian lỗi lưới. Điều này khơng được khuyến khích bởi thực tế là việc ngắt kết nối mợt lượng lớn năng lượng gió có thể gây ra sự bất ổn hệ thống điện. Do đó, cấu hình WECS này dựa trên WRIG sẽ được chọn để