CHƢƠNG II : HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ
2.2. Cấu tạo hệ thống năng gió
2.2.1. Tháp đỡ
Hình 2.1: Tháp đỡ hình trụ
Tháp đỡ dùng để nâng turbine và buồng chứa các hệ thống truyền động cơ khí, máy phát điện, bộ phận điều hƣớng.... Chiều cao của tháp phải cao hơn đƣờng
Cấp độ Gió Tốc độ gió độ ở độ cao 10m Tốc độ gió độ ở độ cao 30m Tốc độ, m/giây Tốc độ, m/h Tốc độ, m/giây Tốc độ, m/h 1 < 4,4 < 9,8 < 5,6 < 12,5 2 4,4 – 5,1 9,8 – 11,5 5,6 – 6,4 12,5 – 14,3 3 5,1 – 5,6 11,5 – 12,5 6,4 – 7,0 14,3 – 15,7 4 5,6 – 6,0 12,5 – 13,4 7,0 – 7,5 15,7 – 16,8 5 6,0 – 6,4 13,4 – 14,3 7,5 – 8,0 16,8 – 17,9 6 6,4 – 7,0 14,3 – 15,7 8,0 – 8,8 17,9 – 19,7 7 > 7,0 > 15,7 > 8,8 > 19,7 Tháp đỡ
SVTH: Tô Minh Nguyện 31
kính của cánh quạt rotor. Trƣớc đây, chiều cao của tháp từ 20m đến 50m. Vấn đề chính trong thiết kế là động lực học cấu trúc. Cần tránh mọi tần số cộng hƣởng của tháp, rotor và buồng chứa; sự rung động và kết quả của chu kỳ mới dƣới sự tác động của dao động tốc độ gió. Bên cạnh vần đề nghiên cứu để phát triển chiều cao của tháp, ngƣời ta còn chú trọng đến việc khai thác các khía cạnh lắp đặt hệ thống ở ngồi biển khơi.
2.2.2. Cánh quạt tuabin
Hình 2.2. Cánh quạt turbine.
Hình 2.2: Cánh của turbine gió
Cánh quạt turbine làm từ gỗ nén, sợi thủy tinh hay các vịng oxy ghép lại. Ngày nay, một turbine gió hiện đại thƣờng 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 động liên tục. Ngồi ra sự giới hạn của cơ khí tối hiểu 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 lƣợng cơ. Cả mối quan hệ về trọng lƣợng với tháp đỡ, chiều dài cánh quạt với chiều cao của tháp cũng phải quan tâm. Mặt khác, tƣơng ứng với công suất nhận đƣợc thì giá thành trong lắp đặt sẽ phải tính tốn để đạt mức tối ƣu.
SVTH: Tô Minh Nguyện 32
2.2.3. Bộ phận điều khiển hƣớng gió (hệ thống yaw)
Bộ phận điều hƣớng điều chỉnh hƣớng turbine liên tục theo chiều gió. Nó có thể đơn giản là cánh quạt đuôi hay phức tạp hơn trên những tháp hiện đại. Hệ thống yaw sẽ trƣợt 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 hƣớng thƣờng dẫn đến tiếng ồn. Sự trƣợt quá nhanh có thể sinh ra tiếng ồn vƣợt quá giới hạn cho phép, cho nên phải đƣợc kiểm soát liên tục.
Hình 2.3: Bộ phận điều khiển hướng gió
2.2.4. Hộp số
Hệ thống cánh quạt của turbine điện gió có tốc độ số vịng quay thấp. Tốc độ số vòng quay của máy phát điện (ngoại trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thông thƣờng từ 900 đến 2000 vòng trên một phút. Để chuyển tốc độ số vòng quay của hệ thống rotor lên cao, hộp số đƣợc lắp đặt trƣớc trục chính của rotor. Hộp số có chức năng chuyển tốc độ số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên tốc độ số vòng quay cao của máy phát điện.
SVTH: Tơ Minh Nguyện 33 Hình 2.4: Hộp số và máy phát điện
2.2.5. Máy phát điện trong tuabin gió
Máy phát điện là một 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 đƣợc lựa chọn. Các turbine này đƣợc thiết kế với việc ƣu tiên cho các phƣơng pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió từng vùng. Các máy phát điện ở đây không chỉ đƣợc sử dụng để biến đổi năng lƣợng mà cịn dùng để điều khiển điện áp thơng qua tốc độ quay của turbine.
Turbine đƣợc 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 độ quay chậm hơn so với các loại máy phát thơng thƣờng. Do đó nó đƣợc thiết kế với số lƣợng điện cực nhiều để đạt đƣợc cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao. Việc điều khiển trực tiếp giúp loại bỏ tổn thất, bảo dƣỡng và các chi phí liên quan đến hộp số. Một số nghiên cứu cho thấy hộp số là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các hƣ 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.
Hộp số
SVTH: Tô Minh Nguyện 34
2.2.6. Bộ phận đo tốc độ gió
Hình 2.5: Bộ phận đo tốc độ gió
Cơng nghệ turbine gió đã thay đổi một cách đáng kể. Những turbine lớn ngày nay đƣợc lắp đặt đều hƣớng đến điều khiển tốc độ dựa trên sự kết hợp điều khiển cơ khí và điện tử cơng suất tự động. Những máy nhỏ thì điều khiển đơn giản bằng tay, chi phí năng lƣợng thấp. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ có những phƣơng pháp sau:
- Không điều khiển: trong trƣờng hợp này tuabin và máy điện đƣợc thiết kế để sẵn sàng chống chọi mọi cơn gió.
- Điều khiển nghiêng, lệch hƣớng: trục rotor đƣợc điều khiển lệch hƣớng gió khi tốc độ gió vƣợt ra khỏi giới hạn cho phép khi thiết kế.
- Điều khiển xoay cánh quạt: thay đổi góc của cánh quạt trên trục turbine tƣơng ứng với thay đổi tốc độ gió.
- Lẫn tránh cơn gió: trong phƣơng pháp này, khi tốc độ gió vƣợt ra khỏi tốc độ cho phép, những cánh quạt đƣợc di chuyển vào vị trí an tồn.
Bộ phận đo tốc độ gió ln cập nhật tốc độ gió và hƣớng gió sau đó chuyển tín hiệu gió đo đƣợc về bộ phận điều khiển để điều chỉnh góc pitch nhằm phát ra cơng suất tối ƣu nhất.
Bộ phận đo tốc độ gió
SVTH: Tơ Minh Nguyện 35