3. Nguyên tắc kỹ thuật.
3.3Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Rotor.
Vì tốc độ gió luôn thay đổi nên trong thiết kế, để có một công suất ổn định, tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một tốc độ gió nhất định. Để đạt được những yêu cầu này, hệ thống Rotor phải có những chức năng tự điều chỉnh theo tốc độ và hướng gió và tự ngưng hoạt động bằng những hệ thống thắng để bảo đảm an toàn. Việc điều chỉnh hệ thống Rotor trước đây thường theo nguyên tắc điều chỉnh tình trạng gió trượt của cánh quạt (Stall control – pasiv hoặc activ), trong thập niên vừa qua việc điều chỉnh này được thực hiện bằng phương thức chỉnh quay mặt đón gió của cánh quạt (Pitch control).
Pitch control – Điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt.
Việc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnh số vòng quay của hệ thống Rotor. tốc độ gió luôn thay đổi nên việc điều chỉnh, tăng hoặc hạn chế cơ năng từ dòng gió là yếu tố quan trọng để tua-bin điện gió có thể hoạt động lâu dài và ổn định.
Khi tốc độ gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góc không đón gió để ngưng hoạt động, tránh hư hại cho tua-bin điện gió và như thế chính là dựa trên nguyên tắc khí động lực học để thắng cánh quạt khi cần thiết.
Khi dòng gió có tốc độ thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt diện tích đón gió cao để có được công suất tối ưu.
Khi tốc độ gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió để tiếp tục hoạt động.
Hệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt quay chỉnh mặt đón gió tối ưu (0°) ở tốc
độ gió từ 4 đến 11 m/s.
Hệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh quạt chỉnh góc đón gió từ 0 - 90° ở tốc
Từ lực tác động của gió vào bề mặt cánh quạt, cơ năng sẽ truyền đến những ổ vòng bi (Ball roller bearings) và làm quay hệ thống rotor. Những vòng bi này thường có một hoặc nhiều lớp. Cánh quạt của những tua-bin điện gió có công suất cao thường sử dụng vòng bi 2 lớp có 4 điểm tiếp xúc (Four point contact bearings).
Yaw control - Chỉnh tua-bin theo hướng gió.
Hướng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo mùa. Tua-bin điện gió muốn đạt được hiệu quả về công suất cũng phải chỉnh theo hướng gió, đặc biệt là những tua-bin điện gió trục ngang. Phương pháp chỉnh tua-bin theo hướng gió gồm hai loại: phương pháp chỉnh thụ động 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 đuôi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Nacelle. Tuy nhiên phương pháp này chỉ có thể áp dụng được đối với những tua- bin điện gió có trọng lượng thấp, công suất từ 5 đến 20 kW và đường kính cánh quạt khoảng 10 mét.
Hầu hết tua-bin điện gió cỡ trung và lớn hiện nay đều áp dụng phương pháp chỉnh tua-bin 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 động cơ góc phương vị (Azimuth motor hoặc Yaw motor).
Hệ thống chỉnh hướng gió - Tua-bin Westinghouse WTG-0600
Động cơ góc phương vị
(Azimuth motor) tua-bin Multibrid 5MW .
Động cơ chỉnh tua-bin theo hướng gió và bánh răng vòng. Động cơ góc phương vị (azimuth motor) Bánh răng có hai lớp vòng bi 4 điểm tiếp xúc Trụ
• Tua-bin điện gió có công suất cao trên 2MW: tốc độ số vòng quay từ 3,5 đến 22 vòng trong một phút.
• Tua-bin điện gió có công suất trên 5MW: tốc độ số vòng quay từ 3,5 đến 13,9 vòng trong một phút. Thí dụ như tua-bin điện gió REpower 6M công suất 6MW, số vòng quay là 7,7 đến 12,1 trong một phút, tua-bin Nordex N150/6000 công suất 6MW số vòng quay là 3,5 đến 13,9 trong một phút; tua-bin Enercon E128 7,5MW số vòng quay từ 5 đến 11,7 trong một phút.
• Tua-bin điện gió có công suất đến 600kW: tốc độ số vòng quay từ 16 đến 49 vòng trong một phút.
Bánh thắng, bộ phận nối trục với vòng nối GRP
Bánh thắng tại trục
có vòng quay cao của hộp số.
Bánh thắng - Tua-bin Nordex N-80.
Tùy theo công nghệ và tùy theo nhà sản xuất, nguyên tắc xếp đặt những hệ thống, bộ phận và chi tiết cơ trong tua-bin điện gió có một số khác biệt.
Nguyên xếp đặt tắc chung:
3.4 Hộp số.
Hệ thống cánh quạt của tua-bin điện gió có tốc độ số vòng quay thấp và thông thường từ 3,5 đến 22 vòng trong một phút, những tua-bin điện gió lọai hai cánh cũng chỉ họat động tối đa đến tốc độ số vòng quay là 49 vòng trong một phút. Tốc độ số vòng quay của máy phát điện (ngọai trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thông thường từ 900 đến 2000 vòng trong một phút.
Để chuyển tốc độ số vòng quay của hệ thống Rotor lên cao, hộp số được lắp đặt sau 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.
Tỉ lệ truyền động của hộp số có thể lên đến 1:100, thí dụ như tốc độ số vòng quay của hệ thống Rotor là 10 vòng trong một phút thì tốc độ chuyển đổi sau hộp số sẽ là 1000 vòng trong một phút. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Công nghệ này vì thế cần rất nhiều chi tiết cơ họat động với tốc độ cao nên việc bảo trì cần thưc hiện thường xuyên.
Hộp số dễ bị hư hại vì trục quay dễ bị cong do trọng lượng hệ thống cánh quạt cao, ổ lăn dễ bị hư hại và một yếu tố quan trọng nữa là tốc độ gió luôn thay đổi.
Ngòai ra vì họat động với tốc độ cao, cơ năng một phần chuyển qua nhiệt năng nên hộp số phải bôi trơn và làm mát bằng dầu. Khi nhiệt độ tăng cao tua-bin phải ngưng họat động.
Sau những sự cố của nhiều Tua-bin điện gió Clipper Windpower 2,5 MW sử dụng hộp số tại Mỹ, báo cáo năm 2007 của Viện Năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ - NREL National Renewable Energy Laboratory thuộc Bộ Năng Lượng Mỹ (US DOE) đã xác định hộp số trong Tua-bin điện gió là một bộ phận có tỉ lệ gây ra sự cố cao nhất làm tăng chi phí cho ngành năng lượng điện gió.
Một trường hợp khác là 30 Tua-bin điện gió Vestas V90-3MW lắp đặt ngòai biển của Trang trại điện gió Kentish Flats tại Thames Anh quốc năm vào 2005 đã phải thay mới hòan toàn sau hai năm họat động.
Theo như báo cáo năm 2008 của Viện Năng lượng tái tạo thế giới - (Renewable Energy World) thì nhiều sự cố xảy ra làm Cánh đồng điện gió phải ngưng hoạt động là do hệ thống hộp số bị hư hại. Việc bảo trì, sửa chữa hộp số chiếm một tỉ lệ từ 15 đến 20 phần trăm tiền đầu tư.
Để khắc phục và giải quyết những nhược điểm cơ bản từ Tua-bin điện gió sử dụng hộp số, đầu năm 2011 Bộ năng lượng Mỹ đã quyết định hỗ trợ 700 triệu USD cho việc nghiên cứu và thử nghiệm Tua-bin điện gió không dùng hộp số.
Báo cáo này cũng nhấn mạnh là tuổi thọ ít nhất 20 năm mà nhà sản xuất đưa ra đều không thể đạt được.