Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng gió

docx 32 trang vanle 22/06/2021 140
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng gió", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docxnang_luong_tai_tao_chuong_2_nang_luong_gio.docx

Nội dung text: Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng gió

  1. Chương 2 27 Năng lượng gió Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: o Tổng quan về năng lượng gió. o Tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam. o Các kiểu turbine gió. o Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió. o Mối quan hệ giữa các thông số trong máy phát điện gió. o Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ. Câu hỏi chương 2: Câu 1: Anh/chị hãy trình bày lịch sử sử dụng năng lượng gió của loài người? Câu 2: Anh/chị hãy cho biết thực trạng, tiềm năng ứng dụng năng lượng gió tại Việt Nam. Câu 3: Anh/chị hãy trình bày các kiểu turbine gió? So sánh máy phát điện gió trục đứng và trục ngang? Câu 4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió? Câu 5: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất máy phát điện gió? ThS. Nguyễn Bá Thành
  2. Chương 2 28 Năng lượng gió Chương 2: Năng lượng gió 2.1 Lịch sử ứng dụng năng lượng gió Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành các cỗ máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió để dong buồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc. Hình ảnh cối xay gió trên những miền quê phương Tây đã trở nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ [12]. Hình 2.1. Turbine gió đầu tiên của Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888 [25] Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầu tiên ra đời, với tên gọi là turbine- gió để phân biệt với cối-xay-gió (biến năng lượng gió thành cơ năng). Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điện đầu tiên trên thế giới tại Cleveland, Ohio vào năm 1888 [20]. Giống như một cối xay gió khổng lồ có đường kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng, Hình 1.1. Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng một turbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Hình 1.2. Turbine gió này có một rô to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn. Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy của khái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn, Hình 1.3. Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục đứng Darrieus. Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh mềm dạng cánh máy bay. Một đầu cánh ThS. Nguyễn Bá Thành
  3. Chương 2 29 Năng lượng gió gắn ở đỉnh và một đầu gắn xuống đáy của trục đứng chính turbine, giống như một cái máy đánh trứng khổng lồ. Sau đó những mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất turbine cao hơn. Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạch hiện đại. Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia. Hình 2.2. Turbine gió của Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897 [25] Hình 2.3. Turbine gió trục đứng kiểu Savonius [26] Tuy nhiên mãi đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đủ thuận lợi để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện. Hầu hết các nghiên cứu và phát triển đều tiến hành trên turbine trục ngang, mặc dù vẫn có các nghiên cứu sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đứng Darrieus ở Canada và Mỹ vào những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của nó là chiếc máy với đường kính rô to là 100m có công suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” tại Cap ThS. Nguyễn Bá Thành
  4. Chương 2 30 Năng lượng gió Chat – Quebec, Hình 1.4. Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 tháng thì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng của cánh quạt quá kém. Hình 2.4. Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C”, Cap Chat, Quebec [4] Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 công suất tối đa của các turbine gió chỉ có 50 kW. Đến năm 1995 các turbine gió thương mại đã đạt công suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW. Trong thời gian đó, chi phí xây dựng các turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điện năng giảm đi một nửa. Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loại cực nhỏ, vì sản lượng của chúng chỉ vài kWh/tháng. Các turbine gió ngày nay được xây dựng với kích thước lên đến 3 MW và đường kính là 100m. Hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn. Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên. Công suất lắp đặt năng lượng gió trên thế giới tăng theo hàm mũ, và tăng gấp hai lần công suất của những năm cuối thập kỷ, Hình 1.5. Điều mà từ trước đến nay không một công nghệ năng lượng nào làm được. Mặc dù phải đối diện với nhiều khó khăn trong khâu truyền tải, cung cấp, nhưng thị trường năng lượng gió của năm 2006 tăng một cách chóng mặt tới 32% sản lượng năm 2005 [25]. Hình 1.5. Biểu đồ tăng trưởng công suất lắp đặt năng lượng gió theo năm ThS. Nguyễn Bá Thành
  5. Chương 2 31 Năng lượng gió Năm 2006 tổng sản lượng điện gió toàn cầu đạt 74.223 MW, tức tăng thêm 15.197 MW so với năm 2005 là 59.091MW [5]. Những nước có sản lượng cao ấn tượng nhất là: • Đức : 20.621 MW • Tây Ban Nha : 11.615 MW • Hoa Kỳ : 11.603 MW • Ấn Độ : 6.270 MW • Đan Mạch : 3.136 MW Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu Âu, cho thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng. Mỹ và Canada cũng tích cực phát triển mở rộng tăng công suất năng lượng gió. Các nước Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ cũng bắt đầu đưa năng lượng gió vào nền công nghiệp năng lượng của nước mình. Hiện tại các nước này có những dự án phát triển đến năm 2010 đạt được sản lượng là 150 GW. Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mức độ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các nước cũng như cộng đồng quốc tế. Đây cũng là trách nhiệm chính cho các nước trong việc tuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị Định Thư Kyoto về cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Một làn sóng công nghệ mới đã và đang phát triển nhanh chóng với mục tiêu tương lai là cải thiện công suất và giảm giá thành. Từ các số liệu khảo sát [10], cho thấy hiện nay ngành công nghiệp năng lượng gió phân tán này có 7 phân đoạn thị trường, bao gồm: - Loại cỡ nhỏ cho vùng hẻo lánh hay vùng không có lưới điện quốc gia. - Loại dùng cho nhà riêng có lưới điện quốc gia. - Trang trại, công ty và các ứng dụng gió công nghiệp cỡ nhỏ. - Loại cỡ nhỏ dùng cho cho cụm dân cư. - Các hệ thống gió - diesel. ThS. Nguyễn Bá Thành
  6. Chương 2 32 Năng lượng gió - Bơm nước tưới tiêu. - Khử muối trong nước. Bảng 1.1. Tổng công suất lắp đặt (MW) trên thế giới đến năm 2020 Năm Off-grid Hộ gia đình Nông trại/công Cụm dân cư Gió/diesel nghiệp/công ty Cỡ Large : 325 kW Turbine 5kW 12.5kW Net Bill : 30Kw 750kW 200kW 2005 3.261 14 0 8.250 10 2010 3.118 36 154 17.250 310 2015 6.275 99 410 40.125 1.810 2020 10.693 286 666 95.625 3.810 2.2 Nguyên lý cơ bản của năng lượng 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 khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà 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. Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. ThS. Nguyễn Bá Thành
  7. Chương 2 33 Năng lượng gió Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc . Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian là: (2.1) với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t. Vì thế động năng E (kin) và công suất P của gió là: (2.2) (2.3) Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió. Công suất gió có thể được sử dụng, thí dụ như thông qua một tuốc bin gió để phát điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốc bin không thể giảm xuống bằng không. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió. Trị giá của tỷ lệ giữa công suất lấy ra được từ gió và công suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz, do Albert Betz tìm ra vào năm 1926. Có thể giải thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ chậm lại. Nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra một tuốc bin gió phải không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chính vì lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay thông qua ThS. Nguyễn Bá Thành
  8. Chương 2 34 Năng lượng gió một tuốc bin gió là điều không thể được. Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng không khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng yên. 2.3 Năng lượng gió tại Việt Nam Tiềm năng về năng lượng gió Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu hết, các khu vực trên đất liền có năng lượng gió thấp khai thác không hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá tuy nhiên công suất lại không lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo năng lượng gió tốt hơn. Nơi có nguồn năng lượng tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt được từ 7.1-7.3m/s. Tiếp đến là các khu vực đảo Trường Sa, Phú Quí, Côn Đảo có tốc độ gió trong khoảng 4.0- 6.6m/s. Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng lượng gió Việt Nam chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về năng lượng gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm Khí tượng Thủy văn, tức chỉ đo ở độ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất. Chúng ta đang thiếu số liệu về năng lượng gió ở các độ cao trên 40m. Hiện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30m đến 60m [9]. Theo khảo sát gần đây nhất của IOE [7], Việt Nam có khoảng 31000km 2 đất có thể đưa vào khai thác năng lượng gió, trong đó có 865km 2 tương đương với 3572MW với điện có thể được tạo ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh. Nghiên cứu cũng đã minh chứng được rằng năng lượng gió sẽ là giải pháp tốt cho khoảng 300000 hộ cư dân nông thôn không có điện. Trong khi năng lượng gió có thể mang đến những lợi ích về môi trường, kinh tế, xã hội Nhưng hiện nay lượng điện năng khai thác từ gió gần như là con số không. Nhà nước cũng chưa có chính sách hỗ trợ, khuyến khích nào cho năng lượng gió. Vì vậy, nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu hiện nay là đặt mục tiêu cho phát triển năng lượng tái sinh và để tìm tòi nghiên cứu công nghệ mới phù hợp với Việt Nam. Theo số liệu của Ngân Hàng Thế Giới [14] khảo sát năm 2000 thì Việt Nam do điều kiện địa lý và thời tiết giữa các vùng là khác nhau nên tốc độ gió trung bình và chiều gió có sự khác nhau: - Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, Điện Biên Sơn La) có vận tốc gió trung bình hàng năm khoảng từ 0.5 – 1.9m/s. ThS. Nguyễn Bá Thành
  9. Chương 2 35 Năng lượng gió - Khu vực miền núi phía Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung bình cao hơn, nhưng cũng chỉ khoảng từ 1.5 – 3.1m/s, vận tốc cực đại trung bình khoảng trên 40m/s. - Đồng Bằng Bắc Bộ (Tam Đảo, Hà Nội) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.0 – 3.5m/s. Vận tốc trung bình cực đại trên 35m/s. - Vùng bờ biển từ Móng Cái tới Hòn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, Đồng Hới có vận tốc gió trung bình tăng, khoảng 2.0 – 4.0m/s. Cực đại trên 50m/s. - Vùng bờ biển từ Huế tới Tuy Hòa (Huế, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn, Tuy Hòa) có vận tốc gió trung bình khá ổn định khoảng 3.0 - 5.0m/s. Cực đại trên 35m/s. - Vùng bờ biển từ Nha Trang tới Rạch Giá (Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu, Phú Quốc, Rạch Giá) có vận tốc trung bình 2.4–6.1m/s, cực đại trên 30m/s. - Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (Thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Cà Mau) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.2–4.0m/s, cực đại 26m/s. - Tây Nguyên (Đà Lạt, Pleiku) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.4–4.5m/s, cực đại 24m/s. Những dự án năng lượng gió đã và đang triển khai tại Việt Nam: nhà máy phát điện sức gió đầu tiên ở Việt Nam phải kể đến là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, TP Hải Phòng. Công suất 800KW với vốn đầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ đồng). Như vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì thời gian hoàn vốn là 7 - 8 năm. Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đã có 3 cơn bão lớn, tốc độ gió đều vượt qua cấp 12 nhưng turbine gió - phát điện vẫn vận hành an toàn. Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước đặt ở huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi) vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tư gần 200 tỷ đồng. Dự án được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn 1 được thực hiện trong hai năm 2007 và 2008 có công suất 2.5 MW, vốn đầu tư 80 tỷ đồng cung cấp cho 4000 hộ dân với gần 20000 nhân khẩu. Giai đoạn 2 nâng công suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008 - 2009 và giai đoạn 3 được thực hiện trong các năm 2009 - 2012 sẽ công suất lên trên 10MW. ThS. Nguyễn Bá Thành
  10. Chương 2 36 Năng lượng gió Nhiều dự án điện gió rất lớn với mục tiêu hòa vào lưới điện quốc gia vẫn đang được xúc tiến. Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, tại khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình Định với tổng vốn đầu tư hơn 35.7 triệu USD. Theo thiết kế, nhà máy được đầu tư xây dựng toàn bộ 14 turbine, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang thiết bị và dịch vụ kèm theo. Sản lượng điện hằng năm của nhà máy hoà vào lưới điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào hoạt động cuối năm 2008. Hiện tại, nhà máy điện gió đang được xây dựng tại Bình Thuận với công suất khá lớn. Một dự án đầu tư rất lớn đang có thể trở thành hiện thực ở Việt Nam đó là xây dựng nhà máy điện gió có công suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đoàn EurOriont đầu tư chính. Để có một hình dung về con số này, hãy so sánh với thủy điện - thủy lợi Rào Quán ở Quảng Trị, vốn đầu tư 2000 tỉ đồng và công suất phát điện là 64 MW. Vậy, nhìn chung các dự án điện gió có suất đầu tư 1000USD/kW, khả năng thu hồi vốn trong vòng 10 năm, giá thành điện không cao 5UScents/kWh. Theo dự báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện bằng sức gió chỉ còn khoảng 700- 800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh. Với quy mô nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa và hải đảo Với quy mô lớn thì thường được phát triển ở những vùng trống, khô cằn ở vùng Nam Trung bộ như Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Bình Thuận 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 [13]: 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 mô men quay trục turbine, như Hình 1.8. Turbine gió trục ngang (HAWT) có rô 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 ThS. Nguyễn Bá Thành
  11. Chương 2 37 Năng lượng gió 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 luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió. Hình 2.5. Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang [25], [26] 1. Chiều gió đến của 6. Máy phát 11. Tháp VAWT HAWT 7. Vỏ 12. Độ cao kính xích 2. Đường kính rô to 8. Tháp HAWT đạo. 3. Chiều cao của Hub 9. Chiều gió phía sau rô 13. Cánh rô to với góc 4. Cánh rô to to bước cố định. 5. Hộp số 10. Chiều cao rô to 14. Nền rô to. Turbine gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm dọc theo trục chính đứng. Loại này không 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 không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống. 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 ThS. Nguyễn Bá Thành
  12. Chương 2 38 Năng lượng gió lượng gió”, ông 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 không phụ thuộc vào hướng gió. Như vậy hệ thống xoay hướng gió phức tạp của HAWT sẽ không 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 quét và trọng lượng thì công suất ngõ ra của VAWT thấp hơn HAWT. . 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. ThS. Nguyễn Bá Thành
  13. Chương 2 39 Năng lượng gió . 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 đòi 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 vòng 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 không sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho rô to. Trong khi đó một HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ không 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 [25], 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 công 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 mô 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 và ThS. Nguyễn Bá Thành
  14. Chương 2 40 Năng lượng gió 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. Theo tài liệu [15] nhóm nghiên cứu này đã dùng bảng phân tích nhân tố với 7 tiêu chí sau, để đánh giá nhu cầu sử dụng của các nước đang phát triển: 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 không lý tưởng, gió quẩn. o Lắp đặt dễ dàng. 2.5 Cấu tạo của tuabin gió Các thành phần của máy phát điện gió được mô tả như Hình 2.6 [11]. Máy phát điện gió hầu hết đều có các thành phần chính như sau:  Cánh (Blade): Cánh rô to là các thành phần chính của turbine dùng để bắt năng lượng gió và chuyển đổi năng lượng gió này thành năng lượng cơ làm quay trục turbine. Việc thay đổi góc pitch của cánh có thể làm tối ưu năng lượng thu được từ gió.  Hub: Hub là điểm tâm nơi các cánh gắn vào và gắn liền với trục tốc độ thấp.  Hộp số (Gear box): Hộp số là hộp chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ thấp sang trục tốc độ cao.  Phanh (Brake): Phanh có cơ cấu giống phanh xe hơi, dùng để hãm và dừng hẳn tất cả các thành phần của turbine trong quá trình công nhân sửa chữa, duy tu. Ở các turbine cỡ lớn thường có đến hai hệ thống phanh độc lập.  Máy phát (Generator): Máy phát được nối vào trục tốc độ cao, là bộ phận chính chuyển đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ở ngõ ra. ThS. Nguyễn Bá Thành
  15. Chương 2 41 Năng lượng gió  Máy đo tốc độ và hướng gió (Anemometer and Wind vane): Hai thiết bị này sử dụng để xác định vận tốc gió và chiều gió.  Bộ xoay hướng gió (Yaw drive): Bộ xoay hướng gió có nhiệm vụ xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc với luồng gió, đối với loại turbine trục đứng thì bộ phận này là không cần thiết.  Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển là một hệ thống máy tính có thể giám sát và điều khiển hoạt động turbine. Chẳng hạn, khi gió đổi hướng hệ thống này sẽ điều chỉnh để xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc với chiều gió, hoặc thay đổi góc pitch để năng lượng thu được luôn là tối ưu. Khi có gió bão hoặc sự cố hệ thống sẽ cho dừng hoạt động toàn bộ hệ thống để đảm bảo an toàn.  Tháp (Tower): Tháp là trụ chính để đỡ toàn bộ hệ thống.  Thùng chứa (Nacelle): Thùng chứa là thùng chứa toàn bộ các thành phần hệ thống trừ cánh. ThS. Nguyễn Bá Thành
  16. Chương 2 42 Năng lượng gió Hình 2.6. Các thành phần của turbine gió 2.6 Nguyên lý hoạt động của tuabin gió Động năng của khối không khí có trọng lượng m, thổi với vận tốc u theo chiều x là: 1 1 U mu 2 ( Ax)u 2 (Joules) (2-4) 2 2 Với: A : Diện tích cắt ngang của khối khí đi qua, đơn vị là m2; ρ : Mật độ không khí, đơn vị kg/m3; x : Độ dày khối khí, đơn vị m; Giả sử khối khí đó được biểu diễn như Hình 2.2, với chiều x di chuyển theo vận tốc u, ta thấy động năng tăng đều theo x, vì khối khí tăng đều. ThS. Nguyễn Bá Thành
  17. Chương 2 43 Năng lượng gió Như vậy, năng lượng của gió Pw, chính là đạo hàm động năng theo thời gian [5]: dU 1 dx 1 P Au 2 Au 3 (W) (2-5) w dt 2 dt 2 Pw là công suất thu được từ gió. Công thức này dùng cho trục đứng và cả trục ngang. Turbine sẽ lấy năng lượng gió theo chiều x, đẳng thức (2-2) cho thấy toàn bộ năng lượng có thể thu được từ diện tích A. Hình 2.2. Năng lượng của khối không khí Mặt khác, ta biết mật độ không khí được biểu diễn theo đẳng thức: p 3.485 (kg/m3) (2-6) T Trong đẳng thức này: p : là áp suất, đơn vị là Pa. T : là nhiệt độ Kelvin. Như vậy, năng lượng gió từ đẳng thức (2-2) được biểu diễn lại như sau: 1 1.742 Au 3 P Au 3 (W) (2-7) w 2 T ThS. Nguyễn Bá Thành
  18. Chương 2 44 Năng lượng gió Đối với không khí ở điều kiện bình thường thì p = 101.3 Pa và T = 273 K, với A là diện tích quét (m2) và u là vận tốc gió (m/s). Khi đó phương trình được rút gọn lại là: 3 Pw 0.647Au (W) (2-8) Phương trình tổng quát (2-4) nên được dùng khi vị trí đặt turbine gió có độ cao vài trăm mét so với mặt nước biển hoặc nhiệt độ lớn đáng kể so với 00C. Hình 2.2 biểu diễn vật lý của một turbine gió khi có khối không khí lớn di chuyển làm thay đổi tốc độ gió và áp suất không khí. Hình 2.3 biểu diễn một turbine trục ngang truyền thống kiểu có cánh dạng chong chóng. Nếu như ta xem khối không khí di chuyển ban đầu khi chưa tiếp cận turbine gió có đường kính d1, vận tốc u 1, áp suất p1 . Vận tốc khối khí sẽ giảm khi tiếp xúc với turbine làm cho luồng khí giãn ra bằng với đường kính d2 của turbine gió. Áp lực không khí sẽ tăng cực đại ở ngay trước turbine và sẽ giảm ngay khi qua khỏi turbine. Chính động năng (kinetic energy) trong không khí được chuyển thành năng lượng tiềm ẩn (potential energy) để gây ra sự tăng áp suất này. Sau khi qua khỏi turbine sẽ vẫn còn nhiều động năng được chuyển đổi thành năng lượng tiềm ẩn để làm tăng áp suất không khí trở lại bình thường. Điều này làm cho tốc độ gió tiếp tục giảm cho tới khi áp suất trở lại cân bằng. Một khi tốc độ gió tiến đến điểm thấp, thì tốc độ của khối khí sẽ tăng trở lại sao cho u4 = u1 như bầu không khí xung quanh nó. ThS. Nguyễn Bá Thành
  19. Chương 2 45 Năng lượng gió Hình 2.7. Biểu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý tưởng Có thể biểu diễn theo các điều kiện tối ưu, khi công suất cực đại được truyền từ khối khí sang turbine. Ta có các quan hệ sau: 2 u u u 2 3 3 1 1 u u 4 3 1 2 A A A 2 3 3 1 A 4 3 A 1 Khi đó công suất cơ thu được từ gió sẽ có sự khác biệt giữa ngõ vào và ngõ ra: 1 1 8 P P P (A u 3 A u 3 ) ( A u 3 ) (W) (2-9) m,ideal 1 4 2 1 1 4 4 2 9 1 1 Đẳng thức trên được phát biểu rằng một turbine lý tưởng sẽ thu được 8/9 năng lượng từ luồng gió tự nhiên. Tuy nhiên, như Hình 2.3 ta thấy khối khí có diện tích nhỏ hơn diện tích turbine, và điều này có thể làm sai kết quả do diện tích A1 khó xác định. ThS. Nguyễn Bá Thành
  20. Chương 2 46 Năng lượng gió Phương pháp bình thường biểu diễn phần năng lượng thu được theo tốc độ gió uvà1 diện tích turbine A2. Phương pháp này cho ta: 1 8 2 3 1 16 3 Pm,ideal ( A2 )u1 ( A2u1 ) (W) (2-10) 2 9 3 2 27 Hệ số 16/27= 0.593 thường được gọi là hệ số Betz. Nghĩa là một turbine không thể thu được nhiều hơn 59.3% năng lượng của khối khí có cùng diện tích. Thực tế cho thấy phần năng lượng thu được luôn luôn ít hơn, nguyên nhân là do hệ thống cơ khí không hoàn hảo. Ở điều kiện tối ưu kết quả tốt nhất có thể thu được cũng chỉ khoảng 35% - 40% năng lượng từ gió, mặc dù người ta khẳng định là hoàn toàn có thể thu được tới 50%. Một turbine mà có thể thu được tới 40% năng lượng từ gió, tức thu được khoảng 2/3 năng lượng mà một turbine lý tưởng thu được cũng được coi là rất tốt. 2.7 Hiệu suất turbine gió Phần năng lượng thu được từ năng lượng gió của các turbine trong thực tế thường do giá trị C p quyết định, C p chính là hiệu suất của turbine. Theo luật Benz, hiệu suất tối ưu nhất của một turbine là 59.3%, tất cả các turbine gió trong thực tế đều không đạt đến giá trị này, mà chỉ nằm trong khoảng từ 20-30% [5]. Vậy công suất cơ ngõ ra, công suất làm quay trục tốc độ thấp, trong thực tế được biểu diễn theo đẳng thức sau: 1 P C ( Au 3 ) C P (W) (2-11) m p 2 p w Pm : Công suất cơ Turbine Darrieus hoạt động với góc pitch không đổi trong khi đó các turbine trục ngang cỡ lớn thường có góc pitch thay đổi. Góc pitch được thay đổi để duy trì ở Cgiáp trị lớn nhất theo tốc độ ur của turbine, hoặc có khi C p được điều chỉnh giảm trong khi Pw đang tăng theo tốc độ gió để duy trì công suất ngõ ra ở giá trị định mức của turbine. C p không là hằng số, mà thay đổi theo: tốc độ gió, tốc độ quay (TSR) của turbine, và các thông số cánh như góc tới và góc pitch và kiểu dáng cánh. ThS. Nguyễn Bá Thành
  21. Chương 2 47 Năng lượng gió Bảng 2.2. Hiệu suất turbine ứng với từng kiểu khác nhau Hiệu suất % Hệ thống năng lượng gió Cấu trúc Thiết kế đơn giản tối ưu Turbine bơm nước nhiều cánh dùng cho nông trại 10 20 Turbine bơm nước kiểu cánh buồm 10 25 Turbine bơm nước kiểu Darrieus 15 30 Máy phát điện nhỏ turbine kiểu Savonius 10 20 Máy phát điện cỡ nhỏ, turbine kiểu chong chóng ( 10kW) 30 – 45 Máy phát điện gió kiểu Darrieus 15 35 2.8 Thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ Lưu đồ tính toán thiết kế cho máy phát điện gió công suất nhỏ, loại turbine trục đứng và kiểu dáng cánh Lenz2. Để đơn giản, đề tài đã tóm tắt toàn bộ các khâu thiết kế thành các bước như sau: Bước 1: Khảo sát gió. Đây là khâu khảo sát tốc độ gió ở các vùng cần cung cấp điện bằng năng lượng gió. Việc khảo sát này sẽ thực hiện khảo sát tát cả thời gian trong ngày. Để khảo sát được cần phải sử dụng thiết bị đo gió, như Hình 3.1. ThS. Nguyễn Bá Thành
  22. Chương 2 48 Năng lượng gió Hình 2.8. Thiết bị đo vận tốc gió Bước 2: Xác định vận tốc gió. Thông thường số liệu khảo sát sẽ bị thay đổi liên tục, nên giá trị này xác định từ các số liệu khảo sát gió. Giá trị này được xác định lấy giá trị gió khảo sát mà tần số xuất hiện nhiều nhất để lựa chọn. Bước 3: Xác định được giá trị công suất điện Pe ở ngõ ra mong muốn. Lựa chọn công suất ngõ ra mà khi máy phát điện gió phát điện ở vận tóc gió thường xuyên, đây là công suất thu được sau khi qua máy phát điện. Bước 4: Xác định ước lượng diện tích cánh A sẽ thiết kế trong máy phát điện gió. Diện tích cánh gió được lựa chọn phụ thuộc vào chiều cao cánh gió và độ rộng của cánh gió. Nếu như cánh gió có bán kính càng nhỏ thì sẽ turbine cánh gió sẽ quay với tốc độ càng lớn nhưng mô men quay càng nhỏ và ngược lại. Diện tích cánh gió được xác định như sau: 2 A=dm *h (m ) Trong đó: A: Diện tích cánh gió (m2) dm là đường kính cánh rô to (m); h là chiều cao cánh rô to (m). Bước 5: Tính công suất gió tối đa thu được ứng với diện tích cánh rô to A (m 2), khi tính ở nhiệt độ bình thường. Để tính công suất thu được sử dụng công thức: 3 Pw=0.647*A.u (W). Trong đó: Pw : Công suất gió (W) A: Diện tích cánh gió (m2) u: Vận tốc gió (m/s) Bước 6: Tính công suất cơ làm quay trục rô to: Pm = Cp*Pw (W). Đối với loại kiểu dáng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8. Nên sử dụng công thức: C p 0.196 TSR 0.23233 = 0.389 [11] Bước 7: Công suất truyền qua bộ truyền động với hiệu suất truyền động là m : Pt  m Pm (W) Để xác định được hiệu suất truyền động: ThS. Nguyễn Bá Thành
  23. Chương 2 49 Năng lượng gió Tính tốc độ quay của rô to cánh gió: .u .u n2 (vòng/giây) = 60 (vòng/phút); 2. .rm 2. .rm với  =0.8 (TSR) Lựa chọn tỷ số truyền động i: Với tốc độ quay của máy phát điện là n, tính được tỷ số truyền động i = n1/n2; - Nếu i ≤ 7 thì lựa chọn một tầng bánh răng; - Nếu 8 ≤ i ≤ 40 thì lựa chọn 2 tầng bánh răng, nếu như tỷ số truyền lớn hơn có thể chọn 3 hoặc 4 tầng bánh răng; Hiệu suất truyền động được tính như sau: nếu lựa chọn 1 tầng thì hiệu suất là 0.99 và nếu thêm 1 tầng nữa thì hiệu suất sẽ giảm đi 1% nữa; Bước 8: Công suất ngõ ra Pout của máy phát, với g là hiệu suất của máy phát điện: Pout g Pt (W); Bước 9: Kiểm tra công suất ngõ ra Pout Nếu Pout Pe thì thực hiện tiếp bước 10. Bước 10: Đưa ra chi tiết kết quả: Vận tốc gió định mức u (m/s); 2 Diện tích cánh rô to A (m ): đường kính cánh rô to dm (m); chiều cao cánh rô to h (m); số lượng cánh: 3 cánh; độ dày mỗi cánh: m = 0.1875*dm (m); chiều dài cánh: l = 0.4*dm(m). Bộ truyền động: tỷ số truyền i; tốc độ quay của rô to n 2 (vòng/phút); tốc độ quay của máy phát n1 (vòng/phút); số tầng bánh răng q (tầng); số răng của bánh răng ở mỗi tầng với bánh răng cơ sở là x răng; Công suất đạt được Pout; Hình dạng, kiểu dáng. ThS. Nguyễn Bá Thành
  24. Chương 2 50 Năng lượng gió Hình 2.9. Mô hình máy turbine gió trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2 Tất cả các bước thực hiện thiết kế cho máy phát điện gió công suất nhỏ loại trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2 được thể hiện trong lưu đồ như Hình 3.3. ThS. Nguyễn Bá Thành
  25. Chương 2 51 Năng lượng gió Lưu đồ thiết kế: Hình 2.10. Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2 ThS. Nguyễn Bá Thành
  26. Chương 2 52 Năng lượng gió 2.9 Tính toán thiết kế mô hình gió điển hình 3.9.1. Tiêu chí thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ Hiệu suất cao. Cấu tạo đơn giản. Dễ vận hành và bảo dưỡng. Thay đổi được tốc độ nhờ bộ truyền động. Thay đổi được diện tích cánh rô to. Ít duy tu, bảo quản. Bền. Công suất ngõ ra dự kiến của máy phát điện gió ở mức thường xuyên là khoảng 400W. Hình 2.11. Cấu tạo của hệ thống máy phát điện gió công suất nhỏ dạng trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2 3.9.2. Tính toán lựa chọn, thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ Trong máy phát điện gió bao gồm tất cả các bộ phận như sau: ThS. Nguyễn Bá Thành
  27. Chương 2 53 Năng lượng gió Rô to: cánh rô to, cánh tay đòn, hub. Bộ truyền động: hộp số chuyển đổi tỷ số truyền động trong cơ cấu truyền động, chủ yếu là hộp tăng tốc độ từ tốc độ thấp của rô to cánh gió sang tốc độ cao hơn của máy phát điện. Trụ quay và giàn đỡ. Máy phát điện. Bộ phận nén và tích trữ điện, bộ phận xã điện. Để thiết kế một hệ thống năng lượng gió, người ta cần biết trước các thông số để sử dụng trong quá trình tính toán về năng lượng gió: Vận tốc gió định mức, số liệu này có được từ việc khảo sát, vận tốc này được tính từ giá trị trung bình của vận tốc gió nơi đặt turbine, thông qua khảo sát gió. Loại trục turbine là loại turbine trục đứng hay trục ngang. Đường kính rô to. Diện tích quét rô to. Kiểu dáng cánh Với mô hình thiết kế và thi công, loại máy phát điện gió turbine trục đứng (VAWT) kiểu dáng cánh Lenz2. Ở đây lựa chọn kiểu dáng cánh Lenz2 vì với loại cánh này dễ thiết kế và thi công hơn các loại cánh khác. Với các thông số đầu vào và đầu ra như Bảng 3.1: Bảng 2.3. Các thông số đầu vào và đầu ra của mô hình Vận tốc gió định mức: 8 m/s Tỷ số tốc độ TRS 0.8 Thông số đầu vào Số cánh 3 (hoặc 6) Kiểu dáng cánh Lenz2 ThS. Nguyễn Bá Thành
  28. Chương 2 54 Năng lượng gió Đường kính rô to (cực đại ) 2m Chiều cao cánh 3m Số tầng 1 hoặc 2 tầng Diện tích quét rô to 6m2 Thông số đầu ra Công suất ngõ ra 400W Đường kính và số tầng Cố định Chất liệu cánh Cánh tôn Độ dày phù hợp Chất liệu Sắt và thép Sắt ống, vuông – giàn và trụ đỡ Thanh chữ V Tính toán thiết kế và công suất ngõ ra: 1. Công suất thu được từ gió: Coi như mô hình được đặt và thử nghiệm ở điều kiện môi trường bình thường. Ở điều kiện bình thường, công suất gió sử dụng công thức (2–5): 3 3 Pw 0.647Au = 0.647*6*8 = 1988W Với A = 6 m2 và u = 8 m/s 2. Hiệu suất của turbine gió: Theo tài liệu tham khảo [11] tỷ số TRS tối ưu của Lenz2 là 0.8. Sử dụng công thức (2– 25) để tính hiệu suất turbine: Với 0.5 TSR 1.0 :C p 0.196 TSR 0.23233 = 0.389 là hiệu suất tối ưu của turbine gió trục đứng kiểu dáng cánh Lenz2. 3. Hiệu suất của bộ truyền động: + Tốc độ quay của rô to cánh quạt được tính theo công thức (2–35): .u .u n2 (vòng/giây) = 60 (vòng/phút); với  =0.8 2. .rm 2. .rm ThS. Nguyễn Bá Thành
  29. Chương 2 55 Năng lượng gió 0.8* 8 n 60 =62vòng/phút 2 2* * 1 + Tốc độ của máy phát điện n1: i = n1/n2; với tỷ số truyền 8 ≤ i ≤ 40 nên chọn 2 tầng bánh răng để truyền động dễ dàng, chọn 2 tầng bánh răng như vậy hiệu suất còn lại là 98%, coi như mỗi tầng mất đi hiệu suất 1% nếu có bôi trơn và đặt trong hộp kín, m 0.98 là hiệu suất của bộ truyền động [3]. 4. Hiệu suất của máy phát điện: Hiệu suất của máy phát điện được dự đoán là 27.8% đến 82.2% như trong thí nghiệm về máy phát điện thì hiệu suất phụ thuộc vào tốc độ quay của rô to của máy phát điện,  g = 27.8% đến 82.2% là hiệu suất của máy phát điện. Ở đây, giả sử hiệu suất máy phát đạt được 80% 5. Hiệu suất toàn hệ thống: Hiệu suất toàn hệ thống được tính theo công thức như sau: 0 C pR mR gR Với: C pR = 0.389 là hiệu suất của turbine; mR = 0.98 là hiệu suất của bộ truyền động;  gR = 0.8 là hiệu suất của máy phát điện. 0 có giá trị 0.304. 6. Công suất toàn hệ thống: Công suất toàn hệ thống được tính theo công thức như sau: ThS. Nguyễn Bá Thành
  30. Chương 2 56 Năng lượng gió Pe C pR mR gR Pw= 0 . Pw Pe = 0.304* 1988 =606W 2.10 Mô phỏng hệ thống máy phát điện hỗn hợp gió –diesel (WDHS – Wind Diesel Hybrid System) Trong tài liệu này tác giả xin trình bày mô phỏng hệ thống máy phát điện hỗn hợp gió – diesel (WDHS – Wind Diesel Hybrid System), đây là một hệ thống phát điện sử dụng máy phát turbine gió và máy phát diesel nhằm đảm bảo cung cấp điện tốt nhất cho phụ tải khi nguồn gió bị gián đoạn. Mục đích chính của hệ thống này là giảm tiêu hao nhiên liệu, do đó giảm chi phí vận hành hệ thống và giảm tác hại đến môi trường. Cấu tạo của WDHS gồm có máy phát diesel (DG), máy phát turbine gió (WTG), và tải. Động cơ đồng bộ (synchronous machine – SM) tạo ra điện thế và kiểm soát điện áp khi DO không hoạt động trong hệ thống. Tải tạm thời (dump load – DL) gồm có một bộ chuyển đổi công suất và các điện trở, tải này dung để điều tần cho hệ thống. Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) gồm bộ lưu trữ năng lượng và bộ chuyển đổi công suất để lưu trử và sử dụng năng lượng như mong muốn. Bộ ESS được sử dụng trong WDHS là ắc quy (hình 4.1). Bộ WDHS có 3 chế độ hoạt động: chỉ chạy máy phát diesel (diesel only – DO), chỉ chạy máy phát điện gió (wind only – WO) và chạy củng lúc máy phát diesel và gió (DW). Trong chế độ DO, máy phát diesel cung cấp công suất phản kháng và công suất tác dụng cho phụ tải, máy phát điện gió không hoạt động (IT = OFF). Trong chế độ DW, máy phát turbine gió cùng máy phát diesel cung cấp điện năng cho tải (IG = IT = ON). Trong chế độ MO, máy phát diesel không hoạt động, chỉ duy nhất máy phát turbine gió hoạt động (IG = OFF, IT = ON). Bộ điểu chỉnh điện áp của SM sẽ điều khiển dòng kích từ để cung cấp công suất phản kháng cần thiết đảm bảo không bị sụt áp. Để mô phỏng, tác giả dung phần mềm Matlab Simulink 7.8 Relaese 13. Trong giới hạn của đề tài, tác giả chỉ mô phỏng phần MO, không xét đến máy phát diesel. Các nghiên cứu về sự ThS. Nguyễn Bá Thành
  31. Chương 2 57 Năng lượng gió liên hệ giữa WTG và DG không được đề cập ở [30], [31], [32]. Hệ thống mô phỏng trên Matlab được trình bày như hình 4.2. Mô hình trong hệ thống mô phỏng này sử dụng gồm có máy phát đồng bộ 380V, 300kVA; turbine gió kéo máy phát cảm ứng 380V, 275kVA; một phụ tải 50 kW và một phụ tải thay đổi (0 đến 446.25 kW). Khi tốc độ gió thấp, cả máy phát turbine gió và máy phát diesel cùng hoạt động cấp nguồn cho tải. Khi công suất gió đáp ứng nhu cầu phụ tải, có thể tắt máy phát diesel. Trong tất cả các chế độ gió, máy phát diesel được sử dụng như một máy bù đồng bộ (synchronous condenser) và bộ kích từ của nó điều chỉnh điện áp lưới bằng với giá trị thông thường. Một bộ tải biến đổi (secondary load bank) được sử dụng để điều chỉnh tần số hệ thống. Mô hình turbine gió sử dụng bảng Lookup 2D để tính mô men ngõ ra turbine gió (Tm), là hàm của vận tốc gió (w_Wind) và vận tốc turbine (w_Turb). Hình 2.12. Sơ đồ khối mô hình máy phát điện gió –diesel WDHS [28] ThS. Nguyễn Bá Thành
  32. turbine gió trên phầnMatlab turbine gió mầm Hình 4.2 Mô phầng máy phát đ iần Chương 2 58 Năng lượng gió Khối tải phụ (secondary load) chứa 8 điện trở 3 pha mắc nối tiếp với switch GTO, công suất thay đổi từ 0 – 446.25 kW, mỗi bước nhảy là 1.75kW (hình 4.3). Bộ điều chỉnh tần số sử dụng vòng khóa pha (PLL) để đo tần số của hệ thống. Tần số đo đuợc sẽ so sánh với tần số chuẩn (50/60Hz) để có được sai số. Sai lệch về tần số này đuợc biến thành sai lệch pha (phase error). Tín hiệu lệch pha được bộ điều khiển PD (Proportional-Differential) xuất ra theo công suất tải phụ (secondary load power). Tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu số 8 bit để điều khiển các switch của tải thay đổi tải phụ (secondary loads). Hình 2.13. Đặc tính làm việc của turbine ThS. Nguyễn Bá Thành