CHƯƠNG I NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ MÁY PHÁT DÙNG SỨC GIÓ 1. Năng lượng gió: Năng lượng gió chính là động năng của khối không khí trong khí quyển. Động năng này xuất hiện do sự bức xạ không đều của mặt trời lên trái đất. Do sự bức xạ không đều này mà sự làm ấm khác nhau của khí quyển, nước và mặt đất sẽ bị tác động.
Do sự khác nhau về áp suất và nhiệt độ cũng như quá trình quay của trái đất, khối không khí sẽ chuyển động và sẽ tạo ra những dòng không khí khác nhau vào các thời gian khác nhau trong năm. Có thể sử dụng động năng của khối không khí chuyển đông này của các thiết bị phát điện sử dụng năng lượng gió hay các máy chạy bằng sức gió.Nguồn gió: Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự chênh lệch về nhiệt độ. Điều này đẫn đến sự khác nhau về áp suất làm cho khối không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió.
Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa. Ngoài các yếu tố trên gió còn bị ảnh hưởng bởi cấu tạo của địa hình của từng đia phương.Năng lượng trong gió : Động năng của một khối khí có khối lượng m (Kg) di chuyển với vận tốc v (m/s) trong hệ SI : 1 2 K .E mv (J) 2 Công suất là động năng trên một đơn vị thời gian, Công suất nhận được của một khối khí di chuyển với vận tốc v qua một diện tích A vuông góc với chiều vận tốc : K .v t Từ các công thức trên ta có công suất của gió : Trong đó : Pw :công suất trong gió W ρ :mật độ không khí Kg/m3 ở 15oC và 1 atm thì ρ = 1.225 Kg/m3 v :vận tốc gió qua diện tích A m/s 7 Hình 1.1: Đường cong công suất gió 2 Trong turbine gió trục đứng thì : A D.H trong đó D là bề ngang 3 lớn nhất. H là chiều cao của vùng cánh quạt Trong turbine trục ngang thì A R 2 với R bán kính cánh quạt 1.Hệ số công suất của Turbine gió: Một vài khái niệm: Hình 1.2: Minh hoạ định luật BEZT Tốc độ gió : là tốc độ gió tự do tại vị trí khảo sát 8 Tốc độ gió mặt (UpWind) : v1=v: tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn đối với cánh quạt Tốc độ gió lưng (DownWind) : v2:tốc độ gió đủ lớn sau khi ra khỏi cánh quạt Trục rotor: trục quay của rotor Bán kính rotor : chiếu dài của cánh gió Rb Bán kính mặt cắt ngang của cánh gió: Khoảng cách từ mặt cắt ngang của cánh gió đến trục của roto rb Đường cung (chord line): Đường thẳng nối đỉnh và đuôi của mặt cắt ngang của cánh gió Mặt xoay (plane of rotation): Mặt phẳng được tạo ra bởi rìa của các cánh gió khi cánh gió quay. Góc Pitch (pitch angle): Góc giữa đường cung và mặt xoay Hình 1.3: Minh hoạ một vài khái niệm của turbine gió Với v1,v2là các hàm phụ thuộc thời gian v,v2 ≥0 9 Turbine gió lấy động năng của khối khi đi vào nên v>v2 Hệ số công suất turbine gió:(theo định luật Bezt) 1 v vb 2 Pb (v v2 ) 2 2 2 ( Tham khảo trang 324 sách Renewable and efficient electric power systems- G.Masters) Gọi tỉ số giữa vận tốc gió lưng và mặt là v2 v Kết hợp hai biểu thức trên: v v 2 A 3 1 2 1 1 Pb (v v ) Av (1 )(1 ) 2 2 2 2 2 2 Gọi hệ số công suất của turbine là: 1 CP (1 )(1 2 ) 2 Viết lại biểu thức tính công suất: 1 Pb Av 3 .CP 2 Tìm hệ số công suất lớn nhất lấy đạo hàm CP theo biến λ và cho đạo hà dC p 1 này bằng 0.
(1 )( 2 ) (1 2 ) 0 d 2 Giải phương trình trên tìm được v2 1 v 3 Từ đây có hệ số công suất lớn nhất của rotor là: CPmax=16/27≈59,3% 10 Hình 1.4: Đặc tính của CP theo hệ số λ được vẽ: 1. Sự ảnh hưởng của cấu trúc hình học đến hế số công suất CP: Nếu roto quay rất chậm thì gió có thể dễ dàng đi xuyên qua khe hở giữa các cánh gió. Ngược lại, khi rotor quay rất nhanh nó sẽ như một bức tường chắn gió, khi đó v2≈0. Vì vậy, đối với một tốc độ gió mặt cho trước v, tốc độ của roto sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị v2.
Nói cách khác, nó ảnh hưởng đến giá trị. Vậy nên, giá trị của là phụ thuộc vào quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ của rotor (Turbine). Mối quan hệ này được biểu diễn bằng một tỉ số giữa tốc độ tiếp tuyến ở rìa của cánh gió với tốc độ gió mặt được gọi là TSR (Tip-Speed Ratio). Đó là một hệ số vô hướng được định nghĩa như sau: v r . D TSR= 60v Trong đó :vr là vận tốc rotor rpm(v/ph) ; D : đường kính của rotor (m); v: vận tốc gió mặt (m/s) Với trường hợp Tuabin gió loại thay đổi tốc, khi tốc độ gió cao công suất đầu ra của máy phát có thể được giới hạn bằng cách thay đổi góc θPitch của cánh gió và giá trị của hệ số công suất CP cũng thay đổi (phụ thuộc vào cấu trúc hình học của cánh gió).
Vì vậy, ta có thể viết: 11 C p f ( , ) Quan hệ CP(λ,θPitch ) có thể được xây dựng hoặc tính toán dựa trên việc mô hình turbine gió Hình 1.5: Đặc tính CP có sẵn với từng Tuabin gió được chế tạo trên thực tế. Khái quát về các thành phần cấu tạo của hệ máy phát sử dụng sức gió: 1. Mô hình của một hệ máy phát điện sức gió : Cánh gió : các tuarbine hiện nay thường có một , hai, 3 cánh gió Pitch : Thiết bị này nhằm làm cho cánh gió có thể lật ,xoay…để điều chỉnh tốc độ Thiết bị Yaw:có chức năng khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ giới hạn khi thiết kế thì nó giữ cho rotor đối điện với nguồn gió khi gió thay đổi.Ngược lại khi tốc độ gió vượt quá giới hạn cho phép thì nó sẽ dịch chuyển rotor ra khỏi hướng gió Chong chóng gió : nhằm phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho turbine thay đổi với vận tốc gió phù hợp 12 Hình 1.6: Cấu tạo một Turbine gió Bộ đo tốc độ gió :đo tốc độ gió và chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển Phanh hãm : dùng để hãm tốc độ và dừng trong trường hợp bảo trì hay khẩn cấp. Hộp số (gear box) : dùng để biến đổi vận tốc turbine gió từ 20-60v/p lên 1500-1800v/p … để các máy phát có thể phát ra điện Máy phát : chuyển hóa cơ năng thành điện năng Tháp (Tower) : dùng để đỡ 13 1.
Các loại turbine gió: Hình 1.7: Turbine gió kiểu trục đứng Hình 1.8: Turbine gió ngang Hình 1.9: Turbine gió kiểu đứng 14 Loại turbine gió kiểu trục đứng VAWT : là loại có trục rotor cánh quạt nằm vuông góc với hướng gió loại này ít phổ biến Loại turbine gió kiểu trục ngang HAWT: là loại có trục rotor song song với hướng gió. Kiểu turbine gió trục ngang được chia làm hai loại : Trước gió (Upwind HAWT) : là kiểu phổ biến nhất, có cánh quạt hứng trực tiếp nguồn gió sau đó mới đến bộ máy phát … Sau gió (Downwind HAWT): là loại có máy phát và các bộ phận nằm trước sau đó mới đến cánh gió 1. Máy phát trong hệ thống turbine gió : Đây là bộ phận chuyển đổi năng lượng cơ năng thành điện năng. Các loại máy phát có thể được sử dụng như : Máy điện một chiều, máy điện xoay chiều đồng bộ, máy điện xoay chiều không đông bộ,.Do các đặc tính vượt trội nên hiện nay đa số sử dụng máy điện xoay chiều làm máy phát cho hệ biến đổi năng lượng gió thành điện năng 1.
Máy phát đồng bộ : Máy đồng bộ đơn giản hóa gồm cuộn dây phần ứng nằm trên stator ,còn cuộn kích từ nằm trên rotor. Dây quấn kích từ được cấp điện một chiều DC qua chổi than và vành trượt. Dây quấn cuộn phần ứng được nối ra ngoài lưới xoay chiều 3 pha .Trục của rotor được nối với turbine gió thông qua một hộp số (gear box) để có thể đạt tốc độ mà máy phát đồng bộ có thể phát điện thông thường tốc độ của turbine gió vào khoảng 20-40 v/p. Máy phát đồng bộ có thể dùng kích từ nam châm vĩnh cửu hay dùng cuộn dây kích từ .10: Minh hoạ máy phát đồng bộ 1.
Máy phát không đồng bộ : Do cấu tạo rotor người ta chia làm hai loại chính : loại rotor lồng sóc (Squirrel Cage Rotor ) và loại rotor dây quấn .Về nguyên lí hoạt động thì hai loại này như nhau .Với tần số lưới là f ,số cặp cực của máy là p thì tốc độ đồng bộ là : Ns= 60f/p vòng/phút Vận tốc hoạt động của máy không đồng bộ luôn khác với vận tốc đồng bộ Máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc : dây quấn rotor gồm các thanh nhôm dẫn đúc nằm trong các rãnh .Các thanh dẫn này được ngắn mạch hai đầu bằng các vòng ngắn mạch.11 a: Rotor dây quấn Hình 1. Các thành phần khác: 1. Bộ phận điện tử công suất : Bộ biến đổi từ AC-DC (rectifier): đây là bộ chuyển đổi từ dòng điện AC sau máy phát có tần số và điện áp thay đổi liên tục thành dòng điện DC 16 .Đây có thể dùng các diode công suất hay các thyristor được kết nối phù hợp với chức năng của bộ biến đổi. Bộ biến đổi từ DC-AC (inverter) có tác dụng ngược lại bộ biến đổi AC- DC, Tức là chuyển dòng DC thành dòng AC có điện áp và tần số phù hợp để có thể cung cấp lên lưới.