giáo trình bài giảng Năng lượng gió

Hiệu suất cực đại của rôto• Hai trường hợp đặc biệt, cả hai đều không có nghĩa -• Tốc độ gió phía sau bằng 0 – tuabin lấy toàn bộ công suất gió • Tốc độ gió phía sau bằng phía trước – tu

408004 Năng lượng tái tạo

Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK1

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

nqnam@hcmut.edu.vn

Ch 3: Năng lượng gió

3.5 Hiệu suất cực đại của rôto

3.6 Máy phát tuabin gió

3.7 Điều chỉnh tốc độ để đạt công suất cực đại 3.8 Công suất gió trung bình

Hiệu suất cực đại của rôto

• Hai trường hợp đặc biệt, cả hai đều không có nghĩa

-• Tốc độ gió phía sau bằng 0 – tuabin lấy toàn bộ công suất gió

• Tốc độ gió phía sau bằng phía trước – tuabin không lấy được bất kỳ công suất nào

• Albert Betz 1919: Phải có một mức độ giảm tốc độ lý tưởng

để tuabin lấy được công suất tối đa

• Dựa vào ràng buộc về khả năng của một tuabin trong việc

chuyển động năng của gió thành công suất cơ

• Xét luồng gió đi qua tuabin – nó giảm tốc độ và giảm áp suất,

Công suất nhận được từ cánh

• ṁ = tốc độ truyền khối không khí trong ống

• v = tốc độ gió phía trước (chưa bị ảnh hưởng)

• v d = tốc độ gió phía sau

( 2 2 )

1

(6.18) 2

P = m v & − v

Xác định tốc độ truyền khối

• Dễ nhất là xác định tại bề mặt rôto vì chúng ta biết diện tích mặt cắt A

• Vậy, tốc độ truyền khối từ (6.3) là

• Giả sử tốc độ gió tại rôto v b là trung bình cộng của tốc độ gió

phía trước v và tốc độ gió phía sau v d:

Công suất nhận được từ cánh

Hiệu suất cực đại của rôto

• Tìm tỷ số tốc độ gió λđể hiệu suất của rôto đạt cực đại, CP

λ =

sẽ cho hiệu suất rôto cực đại Gán đạo hàm của hiệu suất bằng 0, và giải theo λ :

Hiệu suất cực đại của rôto

• Thay giá trị tối ưu của λ vào C P để tìm hiệu suất cực đại của rôto:

• Hiệu suất cực đại 59,3% xảy ra khi không khí phía sau có

tốc độ bằng 1/3 giá trị phía trước

• Được gọi là “hiệu suất Betz” hay “định luật Betz”

• Ở tốc độ gió đã cho, hiệu suất rôto là một hàm của tốc độ

quay của rôto

• Nếu rôto quay quá chậm, hiệu suất giảm vì cánh đã để lọt

quá nhiều gió

• Nếu rô to quay quá nhanh, hiệu suất giảm vì mỗi cánh gây

nhiễu loạn nhiều lên cánh tiếp theo

• Cách thông thường để minh họa hiệu suất rôto là biểu diễn

nó như một hàm của tỷ số tốc độ (TSR – tip-speed ratio)

• Tỷ số tốc độ là tỷ số của tốc độ tại đầu cánh và tốc độ gió.

Hiệu suất của rôto

Tỷ số tốc độ (TSR)

Ví dụ 6.7

• Tuabin gió đường kính 40-m, 3 cánh, 600 kW, tốc độ gió 14 m/s, khối lượng riêng không khí 1,225 kg/m3

a Tìm tốc độ rôto (vòng/phút) nếu nó có TSR là 4,0

b Tìm tốc độ tại đầu cánh của rôto

c Tỷ lệ hộp số là bao nhiêu để tốc độ rôto khớp với tốc độ của máy phát đồng bộ, nếu máy phát quay ở 1800 vòng/phút?

d Hiệu suất của tuabin gió ở các điều kiện này là bao nhiêu?

×

26.7 rev/min rpm = 0.445 rev/sec or 2.24 sec/rev

60 sec/min

=

Động cơ không đồng bộ dùng làm máy phát

• Stato cần có dòng điện kích thích

– từ lưới nếu nó nối lưới hay

– tích hợp tụ điện bên ngoài

Figure 6.18 Single-phase, self-excited, induction generator

Động cơ không đồng bộ dùng làm máy phát

• Độ trượt là âm vì rôto quay nhanh hơn tốc độ đồng bộ

• Độ trượt thường nhỏ hơn 1% với hệ hòa lưới

• Tốc độ rôto điển hình

(1 ) [1 ( 0.01)] 3600 3636 rpm

Trang trại gió

• Khảo sát trong hình 6.28 xét các dãy vuông, nhưng các

dãy vuông không có ý nghĩa lắm

• Các dãy hình chữ nhật với một vài hàng dài sẽ tốt hơn

• Khoảng cách đề xuất là 3 – 5 lần đường kính rôto giữa các tháp trong một hàng và 5 – 9 lần đường kính rôto giữa các hàng

• Đặt lệch các hàng là phổ biến

Điều chỉnh tốc độ tuabin

• Cần thiết để có thể cắt bớt gió ở tốc độ gió cao

• Hiệu suất rôto thay đổi ở các tỷ số tốc độ (TSR) khác nhau,

và TSR là một hàm của tốc độ gió

• Để duy trì TSR là hằng số, tốc độ cánh phải thay đổi khi

tốc độ gió thay đổi

• Thách thức ở đây là thiết kế máy có thể tạo ra tốc độ rôto thay đổi và tốc độ máy phát cố định

Hiệu suất theo tốc độ gió

Công suất phát ra theo tốc độ gió

Máy phát không đồng bộ thay đổi số cực

• Có thể thay đổi số cực để thay đổi tốc độ làm việc

• Một máy phát 2 cực, 50 Hz, 3000 vòng/phút có thể chuyển thành 4 cực và 1500 vòng/phút

• Có thể thực hiện điều này bằng cách chuyển mạch bên ngoài và không cần thay đổi gì phía rôto

• Phương pháp chung cho các động cơ gia dụng 2-3 tốc độ, như động cơ trong máy giặt và quạt hút

Máy phát không đồng bộ có độ trượt thay đổi

• Cố ý thêm vào mạch rôto điện trở biến thiên

• Điện trở điều chỉnh bên ngoài – có thể mang ý nghĩa dùng một rôto dây quấn có vành trượt và chổi, cần bảo trì thường xuyên hơn

• Gắn điện trở và mạch điều khiển điện tử trên rôto và dùng một liên kết sợi quang để gửi tín hiệu đến rôto

cho biết cần cung cấp điện trở bằng bao nhiêu

Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW

• Tuabin Vestas V80 1,8 MW là một

ví dụ trong đó một máy phát không

đồng bộ được vận hành với điện trở

rôto thay đổi (opti-slip)

• Điều chỉnh điện trở mạch rô to làm

thay đổi đường cong mômen-tốc độ

• Làm việc giữa 9 và 19 vòng/phút

Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW

Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW

Máy phát không đồng bộ nguồn kép

• Một phương pháp phổ biến khá là dùng thiết bị gọi là máy phát không đồng bộ nguồn kép, trong đó có một kết nối điện giữa mạch rôto và nguồn điện thông qua một bộ biến đổi

AC-AC

• Điều này cho phép vận hành trên một dải tốc độ rộng, ví dụ 30% với các máy phát GE 1,5 MW và 3,6 MW

Các ví dụ DFIG GE 1,5 MW và 3,6 MW

Các hệ thống hòa lưới gián tiếp

• Tuabin được phép quay ở tốc độ bất kỳ

• Tần số AC biến thiên từ máy phát đi qua một bộ chỉnh lưu (AC-DC) và một bộ nghịch lưu (DC-AC) thành 50 Hz để hòa lưới

• Xử lý tốt các thay đổi nhanh của tốc độ gió

Công suất gió trung bình

• Chúng ta có thể dự đoán năng lượng từ tuabin gió không?

• Để tính công suất gió trung bình, ta cần biết giá trị trung

bình của lũy thừa ba của tốc độ:

• Đây là lý do chúng ta không thể dùng tốc độ gió trung bình

v avg để tìm công suất gió trung bình

Công suất gió trung bình

• v i = tốc độ gió (km/h)

• Tỷ lệ thời gian gió ở tốc độ vi cũng là xác suất v = vi

[ fraction of total hours@ ] (6.32)

• Đây là tốc độ gió trung bình theo nghĩa thống kê

• Giá trị trung bình của v 3 cũng được tìm theo cùng cách:

Ví dụ dữ liệu tốc độ gió thực

Ví dụ 6.9

• Dùng dữ liệu cho trong hình 6.22, tìm tốc độ gió trung bình và công suất gió trung bình (W/m2) Giả sử khối lượng riêng của không khí là 1,225 kg/m3 So sánh kết quả với kết quả tính

nhầm nếu chỉ dùng tốc độ gió trung bình

Giải:

• Lập bảng tính, mỗi dòng lần lượt tính tỷ lệ thời gian so với

một năm, tốc độ gió nhân với tỷ lệ này, và lũy thừa ba của tốc

độ gió nhân với tỷ lệ này

• Sẽ tính được giá trị trung bình của tốc độ gió, và lũy thừa ba của tốc độ gió

Hàm mật độ xác suất tốc độ gió

Hàm mật độ xác suất tốc độ gió (p.d.f) – giữa 0 và 1, diện tích dưới đường cong là 1

Hàm mật độ xác suất gió

• f(v) = hàm mật độ xác suất gió

• Xác suất tốc độ gió nằm giữa hai giá trị:

• số giờ/năm tốc độ gió nằm giữa hai giá trị:

Tốc độ gió trung bình theo hàm mật độ xác suất

• Tương tự như (6.33), nhưng bây giờ chúng ta có một hàm liên tục thay vì một hàm rời rạc

• Tương tự cho giá trị trung bình của (v 3)

Hàm mật độ xác suất Rayleigh

• Đây là hàm mật độ xác suất Weibull với k = 2

• Thường là điểm khởi đầu khi không biết gì về gió tại một nơi nào đó

• Khá thực tế cho một vị trí đặt tuabin gió – gió hầu như khá mạnh nhưng có những giai đoạn gió yếu và gió mạnh Có một quan hệ trực tiếp giữa vavg và c:

2

2

-2 ( ) e Rayleigh p.d.f (6.42)

v c

( ) e Rayleigh p.d.f (6.45)

2

v v

Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bình

• Có thể dùng thống kê Rayleigh khi những gì bạn biết là tốc độ gió trung bình (từ đồng hồ đo gió)

• Để tìm công suất gió trung bình, chúng ta cần (v 3)avg

( ) e (6.45)

2

v v

Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bình

• Đây là (v 3)avg biểu diễn theo c, nhưng ta có thể dùng (6.44) để biểu diễn c theo vavg

• Vậy ta có (v 3)avg biểu diễn theo vavg :

π

= ×