Chương 2 : Năng lượng gió
2.4 Các kiểu turbine gió
2.4.1 Turbine gió trục đứng và trục ngang
Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho turbine gió, và được phân ra làm hai loại cơ bản chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT). Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng để “bắt” năng lượng gió để tạo ra mơ men quay trục turbine.
34
Turbine gió trục ngang (HAWT) có rơ to kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang. Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao nhất. HAWT có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay được truyền động thông qua bộ nhông và trục. Loại turbine trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí (khí động học), nhưng yêu cầu phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt ln ln hướng thẳng góc với chiều gió.
Hình 2.5. Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang
1. Chiều gió đến của HAWT
2. Đường kính rơ to 3. Chiều cao của Hub 4. Cánh rô to
5. Hộp số
6. Máy phát 7. Vỏ
8. Tháp HAWT
9. Chiều gió phía sau rơ to
10. Chiều cao rô to
11. Tháp VAWT 12. Độ cao kính xích đạo. 13. Cánh rơ to với góc bước cố định. 14. Nền rơ to.
Turbine gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm dọc theo trục chính đứng. Loại này khơng cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào. Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ phận chính như máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất. Tuy nhiên nó cần có khơng gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống.
35
2.4.2 So sánh máy phát điện gió trục đứng và trục ngang
Đã có nhiều tranh luận xoay quanh vấn đề này, có thể nói bắt đầu từ khi phát minh ra các bộ chuyển đổi năng lượng gió. Các chuyên gia đã đưa ra nhiều quan điểm khác nhau. Dennis G.Shepherd đã so sánh hai loại turbine này một cách toàn diện nhất trong tác phẩm “Năng lượng gió”, ơng đã đưa ra những ưu và nhược điểm tương đối của hai loại turbine này như sau:
Ưu điểm của VAWT so với HAWT:
Một turbine gió trục đứng truyền thống là một cỗ máy không hướng. Nghĩa là VAWT hoạt động mà khơng phụ thuộc vào hướng gió. Như vậy hệ thống xoay hướng gió phức tạp của HAWT sẽ khơng cần thiết ở VAWT.
VAWT được đặt ngay trên nền đất, khác với HAWT phải được đưa lên tháp cao. Hộp số, máy phát và dàn cơ khí điều khiển rất nặng, do đó nếu đặt dưới đất thì việc lắp đặt, bảo trì sẽ rất thuận tiện và dễ dàng.
Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao của HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với loại trục đứng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh. Về phương diện này, các turbine gió trục đứng được coi như thân thiện với môi trường hơn so với loại trục ngang.
Các cánh quạt của VAWT không bị phải chịu đựng áp lực khi xoay. Cánh của VAWT rẻ và bền cao hơn so với HAWT.
VAWT được thiết kế sao cho tải ly tâm được cân bằng bởi các lực trên cánh quạt, như vậy tránh được mô men xoắn.
Hạn chế của VAWT:
VAWT nói chung không thể tự khởi động được. Rô to Savonious là một ngoại lệ nhưng nó có hiệu suất khá thấp.
Vì VAWT được đặt ngay trên mặt đất, nên nó lệ thuộc vào gió có tốc độ thấp và thay đổi liên tục. Với cùng một diện tích qt và trọng lượng thì cơng suất ngõ ra của VAWT thấp hơn HAWT.
36
Các dây cáp chằng VAWT chiếm khá nhiều diện tích, nên có thể gây khó khăn cho việc tận dụng phần đất bên dưới turbine, đất đai thường canh tác, trồng trọt bên dưới.
Toàn bộ trọng lượng của VAWT được đặt lên bộ đệm đỡ phía dưới, bộ đệm này rất cứng, linh hoạt và có độ tin cậy cao khi vận hành. Tuy nhiên khi bộ đệm này hư hỏng, thì địi hỏi phải tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế.
Đối với VAWT, mô men quay và công suất ngõ ra thay đổi thất thường một cách tuần hoàn khi cánh quạt đi vào và ra khỏi vùng tác động của gió trong mỗi vịng quay, trong khi ở HAWT mô men quay và công suất ngõ ra khá ổn định.
Do mô men quay của VAWT thay đổi tuần hoàn, nên tạo ra nhiều tần số dao động tự nhiên. Điều này rất nguy hiểm và cần phải được loại bỏ nhanh chóng bởi bộ điều khiển cơ khí, nếu khơng sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho rơ to. Trong khi đó một HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ khơng có những vấn đề rung động như vậy. Sự phát triển mang tính cạnh tranh và những gì làm được của turbine trục ngang sẽ bị hạn chế trong tương lai, phần lớn là do tải trọng của những cánh quạt ngày càng lớn. Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nhưng turbine trục đứng không chịu áp lực nhiều từ tải trọng của nó, điều làm giới hạn kích thước của turbine trục ngang.
Xét về mặc hiệu quả kinh tế, các nhà phân tích cho rằng: nếu trước đây các turbine trục đứng với công suất ngõ ra khoảng 10 MW được phát triển thì ít nhất nó cũng làm được những gì mà turbine trục ngang làm được ngày nay, nhưng chi phí trên một đơn vị cơng suất thấp hơn nhiều, do đó vấn đề hiệu suất của turbine trục đứng thấp 19% đến 40% so với 56% turbine trục ngang là không quan trọng.
Tóm lại:
Turbine trục ngang và trục đứng như trên đã phân tích đều có ưu và nhược điểm nhất định. Loại trục ngang có hiệu suất cao hơn nhưng chi phí cũng lớn, hệ thống khá phức tạp và chỉ hoạt động tốt khi vận tốc gió lớn. Trong khi loại trục đứng có hạn chế là hiệu suất thấp nhưng bù lại dễ thiết kế, bảo dưỡng và giá thành thấp, đồng thời hoạt động tốt trong điều kiện gió thấp, chiều gió thay đổi liên tục.
Việc chọn mơ hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào điều kiện gió tại nơi đó và các tiêu chí thiết kế, các tiêu chí này sẽ được đưa vào bảng phân tích nhân tố
37
và tùy vào nhu cầu người dùng ở từng quốc gia mà các tiêu chí sẽ có trọng số khác nhau, tiêu chí nào có trọng số lớn nhất sẽ được chọn để thiết kế. Các tiêu chí dùng để đánh giá nhu cầu sử dụng của các nước đang phát triển bao gồm:
o Giá thành thấp.
o Được thiết kế dễ dàng sản xuất với số lượng lớn.
o Hiệu suất cao.
o Ít duy tu bảo quản.
o Bền.
o Hoạt động có hiệu quả ở các điều kiện gió khơng lý tưởng, gió quẩn.
o Lắp đặt dễ dàng.