CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ 1.1 Cấu tạo và chế độ làm việc của FESS 1.1 Cấu tạo của FESS Hiện nay, FESS thường có cấu tạo và các thành phần chính như Hình 1.1, bao gồm: động cơ điện, bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều, bánh đà, hệ thống ổ bi chặn, ổ bi quay, hệ thống buồng chân không. Phụ thuộc vào thiết kế FESS mong muốn mà các thành phần chính của FESS sẽ có các đặc điểm và tính chất khác nhau. Cấu tạo và chức năng của các thành phần chính của FESS: - Động cơ: tạo ra chuyển động quay cho FESS, điều chỉnh tốc độ quay của động cơ sẽ giúp cho hệ thống FESS nạp hoặc xả năng lượng, và đảm bảo bánh đà hoạt động ở mức tốc độ an toàn và hiệu quả. Động cơ được thiết kế có mật độ công suất lớn và hiệu suất cao [15].
Các loại động cơ thường được sử dụng là loại động cơ không đồng bộ hoặc động cơ đồng bộ.1 Cấu tạo và thành phần của FESS - Bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều: có chức năng chuyển đổi năng lượng từ nguồn vào bánh đà (nạp và lưu trữ năng lượng) và chuyển đổi năng lượng từ bánh đà về nguồn (xả năng lượng) khi cần thiết. Bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều, bao gồm: chuyển đổi DC-AC và chuyển đổi AC-DC hoặc chuyển đổi trực tiếp (biến tần ma trận). Mỗi loại có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc và yêu cầu của hệ thống FESS để lựa chọn loại bộ biến đổi điện tử công suất phù hợp. 5 - Bánh đà: được gắn vào trục động cơ hoặc tích hợp cùng rotor, là bộ phận lưu trữ năng lượng dạng động năng.
Do vậy, thiết kế của bánh đà rất quan trọng đối với khả năng lưu trữ năng lượng và thường là điểm khởi đầu của toàn bộ thiết kế FESS. Bánh đà thường được chế tạo dưới dạng hình trụ hoặc dạng đĩa. Mô men quán tính của bánh đà được tính như công thức [16]: 1 1 J = mr 2 = πρhr 2 (1.1) 2 2 trong đó m là khối lượng (kg), r là bán kính ngoài (m), h là chiều dài bánh đà (m) và ρ là khối lượng riêng. Độ bền của vật liệu làm bánh đà được xác định theo ứng suất gặp phải khi làm việc.
Cần duy trì một giới hạn an toàn phù hợp để giữ cho ứng suất do bánh đà gây ra nhỏ hơn độ bền của vật liệu làm bánh đà [16]. Ứng suất cực đại của vật liệu làm bánh đà (σmax) có hình dạng trụ tròn được tính theo công thức: σ max = ρr 2ω2 (1.2) Dạng hình học bánh đà cũng có ảnh hưởng đến năng lượng riêng và mật độ năng lượng, được điều chỉnh bằng cách đưa vào hệ số hình dạng K [26]. Năng lượng riêng và mật độ năng lượng tối đa khi đó được tính bởi: E σ = K max J / kg m ρ (1.3) E σ max 3 =K J/m V ρ Hệ số K có các giá trị khác nhau, tùy thuộc vào dạng hình học của bánh đà, và khác nhau được thể hiện trên Hình 1. Trụ rỗng Vật liệu tổng hợp K = 0.5 mỏng Trụ rỗng dày K = 0.2 Hệ số K của các dạng hình học bánh đà khác nhau (nguồn [16]) Hiện nay, bánh đà thường được chế tạo từ vật liệu tổng hợp (composite) hoặc 6 thép: + Bánh đà composite: có độ bền kéo dọc cao nhưng độ bền kéo hướng tâm yếu, điều này hạn chế khả năng lưu trữ năng lượng khi hệ thống làm việc ở tốc độ cao.
Với cấu tạo bánh đà gồm nhiều vành composite mỏng ghép lại có thể cải thiện nhược điểm ứng suất theo hướng xuyên tâm. Tiêu chí thiết kế phổ biến cho bánh đà composite có thể thực hiện theo nghiên cứu của Tsai–Wu [17]. Khi thiết kế tối ưu bánh đà composite, cần xem xét độ dày của vành, phụ gia co ngót và kết hợp vật liệu khác nhau [18][19][20]. + Bánh đà thép: thường sử dụng ở chế độ làm việc ''tốc độ thấp'', có tổn thất cơ học cao.
Gần đây, các nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện mật độ năng lượng bằng cách tìm ra cấu trúc hình học tối ưu [21][22]. Bánh đà thép đang được quan tâm nhiều hơn nhờ các ưu điểm như: chi phí thấp, chế tạo dễ dàng và khả năng tái chế tốt hơn. - Hệ thống ổ bi chặn, ổ bi quay: + Hệ thống ổ bi quay được sử dụng để giữ cho bánh đà ổn định trong quá trình làm việc. Có nhiều loại ổ bi quay được sử dụng: ổ bi bánh xe, ổ bi đũa, ổ bi con lăn và ổ bi cầu hoặc ổ bi từ [23], ổ bi gốm [24].
Loại ổ bi quay được sử dụng phụ thuộc vào tốc độ quay của bánh đà và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. + Hệ thống ổ bi chặn được sử dụng để bánh đà làm việc ổn định theo phương của trục hệ thống (chuyển động dọc trục). Tùy theo yêu cầu kỹ thuật, kết cấu hệ thống mà ổ bi chặn có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau. - Hệ thống buồng chân không: Có chức năng giảm ma sát sinh ra do không khí và do chuyển động cơ học của hệ thống bánh đà [16].
Khi hệ thống làm việc với tốc độ cao, buồng chân không sẽ được tích hợp để hạn chế tổn thất do ma sát và nâng cao hiệu suất của hệ thống. Hiện nay, kích thước của FESS ngày càng nhỏ và khả năng lưu trữ năng lượng ngày càng lớn hơn nhờ sự phát triển về công nghệ điện tử, động cơ tốc độ cao [25], công nghệ vật liệu, công nghệ cơ khí, công nghệ vật liệu, … Các thành phần chính cấu tạo của FESS đã và đang được tiếp tục nghiên cứu và đề xuất các giải pháp cho các ứng dụng khác nhau nhằm đảm bảo tối ưu giá thành, nâng cao độ bền và hiệu suất [11].2 Chế độ làm việc của FESS FESS có 3 chế độ làm việc: chế độ nạp năng lượng từ lưới điện, chế độ chờ và chế độ xả năng lượng về lưới điện.3 là đường đặc tính tốc độ tương ứng với 3 chế độ làm việc của FESS: - Chế độ nạp năng lượng (Charging Mode): bánh đà được tăng tốc lên ωmax nhằm tích trữ năng lượng tối đa dưới dạng động năng. - Chế độ chờ (Standby Mode): bánh đà quay ổn định ở tốc độ ωmax nên động 7 năng tích lũy được duy trì ổn định. - Chế độ xả năng lượng (Discharging Mode): bánh đà giảm tốc độ từ ωmax xuống ωmin để giải phóng năng lượng.
ω chờ ωmax xả nạp ωmin t1 t2 t3 t4 t Hình 1.3 Đặc tính làm việc của bánh đà Năng lượng tích trữ của FESS được xác định bởi hình dạng và vật liệu của Bánh đà/rotor, tỷ lệ với momen quán tính và bình phương vận tốc góc, được xác định theo công thức: 1 E = Jω2 (1.4) 2 trong đó: E là động năng tích trữ (J), J là momen quán tính (kg.m2) và ω là vận tốc góc (rad/s). Từ phương trình (1.1) ta thấy mô men quán tính J phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, vật liệu của bánh đà và cố định theo thiết kế ban đầu của FESS. Do vậy, theo phương trình (1.4), ta thấy tốc độ bánh đà sẽ quyết định năng lượng lưu trữ, tốc độ quay của bánh đà càng cao thì năng lượng lưu trữ càng lớn. Ngoài ra, cũng có thể tăng khối lượng bánh đà nhằm tăng khả năng lưu trữ, tuy nhiên khi đó khối lượng hệ thống lớn, có thể gây bất lợi về kết cấu cơ khí và truyền động của FESS.
Trong thực tế, các thông số kích thước và khối lượng của bánh đà thường được thiết kế và tính chọn phù hợp với yêu cầu của FESS trong các ứng dụng khác nhau. Năng lượng hữu ích của bánh đà phụ thuộc phạm vi tốc độ tối đa (ωmax) và tốc độ tối thiểu (ωmin), dải tốc độ FESS có thể phát trả năng lượng hữu ích về lưới điện và được tính theo công thức: 1 E = J(ωmax2 - ωmin 2 ) (1.5) 2 Thông thường, một bánh đà được dẫn động bằng động cơ điện, hoạt động với giá trị ωmin / ωmax = 0,5 để tránh sự biến thiên điện áp quá lớn và cũng để giới hạn mô-men cực đại của động cơ đối với công suất định mức nhất định. Trong trường hợp này, 75% tổng năng lượng tích trữ có thể được huy động trở lại từ bánh đà. Việc lựa chọn dải tốc độ làm việc (ωmax→ωmin) cũng có tác động đến hiệu suất 8 động cơ và cả hệ thống FESS [26].
Tốc độ bánh đà ở chế độ nạp và xả khi công suất P không đổi, được tính theo công thức: 2 ω = ω02 + Pdt (1.6) J Trong đó: ω0 là tốc độ ban đầu và công suất P dương khi ở chế độ nạp và âm khi ở chế độ xả. Điều này rất hữu ích khi FESS được điều chỉnh để duy trì nguồn điện nạp hoặc xả liên tục nhằm mục đích cân bằng điện năng [12].2 Động cơ từ trường dọc trục (AFPM) Động cơ là thành phần quan trọng chịu trách nhiệm thực hiện các chế độ làm việc và ảnh hưởng hiệu suất chung của FESS [27]. Vì vậy, động cơ cần được tính toán và chọn lựa phù hợp trong quá trình thiết kế FESS. Các nghiên cứu đã đề xuất và sử dụng cho FESS trong thực tế gồm 3 loại động cơ là: động cơ không đồng bộ (IM), động cơ đồng bộ (PM) và động cơ từ trở biến thiên (VRM) [28].
Động cơ PM được sử dụng phổ biến nhất cho FESS vì hiệu suất cao hơn, mật độ năng lượng cao và tổn thất rotor thấp. Tuy nhiên, động cơ PM có giá thành cao và độ bền kéo thấp [29]. Đối với động cơ PM, có thể chia thành 2 nhóm: + Động cơ từ thông hướng tâm (RFPM) được rộng rãi cho nhiều ứng dụng, trong đó có sử dụng cho FESS [30]. + Động cơ từ thông dọc trục (AFPM) hiện đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng với các ứng dụng khác nhau, trong đó có ứng dụng cho FESS [26].1 Sự phù hợp của AFPM và RFPM khi sử dụng cho FESS Động cơ RFPM hay AFPM để quay bánh đà, các vấn đề điều chỉnh chế độ làm việc có nhiều giải pháp để điều khiển 2 loại động cơ này.