Báo cáo nhập môn điện nhóm 2

Tuabin gió của hãng Blyth đã được lắp đặt ở khu vườn của ngôi nhà nghỉ ởMarykirk thuộc Kincardineshire và được sử dụng để tích lũy accumulators của Pháp CamilleAlphonse Faure, để phát đi

Trang 1

Báo cáo nhập môn ngành điện 1

Contents

I Xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo 2

1 Ảnh hưởng của những phương thức sản xuất điện cũ đối với môi trường 2

1.1 Thủy điện 3

1.2 Nhiệt điện 3

1.3 Điện hạt nhân 4

2 Xu thế chuyển sang sử dụng năng lượng sạch 5

2.1 Pin nhiên liệu 5

2.2 Năng lượng mặt trời 6

2.3 Năng lượng từ đại dương 6

2.5 Dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe 6

2.6 Năng lượng từ tuyết 7

2.7 Năng lượng từ sự lên men sinh học 7

2.8 Nguồn năng lượng địa nhiệt 7

2.9 Khí Mêtan hydrate 7

II Lịch sử phát triển của điện gió 8

III Cấu tạo của tua bin gió 9

1 Cánh quạt 9

1.1 Thiết kế của cánh quạt 9

1.2 Bộ phận trung tâm (The hub) 11

1.3 Số lượng cánh quạt 11

1.4 Vật liệu sản xuất cánh quạt 12

1.5 Tái chế cánh quạt 16

2 Bộ phận điều khiển năng lượng 18

2.1 Stall 18

2.2 Controller 20

2.3 Yawing 22

2.4 Phanh 23

3 Nacell 23

3.1 Hộp số 24

3.2 Máy phát điện 24

3.3 Tuabin gió không hộp số 25

4 Tháp 26

Trang 2

Báo cáo nhập môn ngành điện 2

4.1 Chiều cao tháp 26

4.2 Vật liệu tháp 27

5 Nền móng tháp 28

IV Nguyên lí làm việc của tuabin gió trong sản xuất điện 29

1 Nguyên lý hoạt động 29

2 Phương trình động của tua bin gió 30

3 Hiệu suất hoạt động của hệ thống tua bin gió 31

3.1 Những thách thức khi đấu nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện 31

3.2 Vấn đề tốc độ gió không ổn định ảnh hưởng đến hiệu suất phát điện của tua bin gió 34

V Điều kiện và cơ sở để phát triển công nghệ sản xuất điện sử dụng năng lượng gió 35

1 Sự hình thành năng lượng gió: 35

2 Sản xuất điện từ năng lượng gió: 36

3 Địa hình và địa điểm thích hợp phát triển công nghệ sản xuất điện bằng năng lượng gió: 37

VI Tiềm năng phát triển điện gió ở Việt Nam 37

1 Lợi ích của việc phát triển năng lượng gió ở Việt Nam 39

2 Các tỉnh có tiềm năng phát triển điện gió 40

2.1 Cà Mau 40

2.2 Bạc Liêu 41

3 Các dự án điện gió tại Việt Nam 42

VII Những nhà máy sản xuất điện bằng năng lượng gió tại Việt Nam 43

1 Bình Thuận đi đầu trong việc phát triển công nghệ sản xuất điện gió 43

2 Bạc Liêu đi tiên phong 44

3 Nhà máy điện gió đảo Phú Quý 45

4 Nhà máy điện gió REVN 1-Bit 47

5 Nhà máy điện gió Gia Lai 48

6 Nhà máy điện gió Việt Hải tại Ninh Thuận 49

7 Nhà máy điện gió Phương Mai 3 tại Bình Định 50

Trang 3

Báo cáo nhập môn ngành điện3

I Xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.

1 Ảnh hưởng của những phương thức sản xuất điện cũ đối với môi trường.

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường là chủ đề nóng và được quan tâm bởi các nước trên toàn thế giới Trong đó, quá trình sản xuất điện từ các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện hạt nhân, … gây rất nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống

1.1 Thủy điện.

quy trình

thuộc vào chế độ vận hành nhà máy, hơn nữa hầu hết các nhà máy không có cửa xả đáy để

có thể xả trong trường hợp mực nước hồ thấp dưới mực nước chết

thiếu hụt lượng phù xa bổ sung độ màu cho đất nông nghiệp hạ lưu, cát sạn sỏi, thêm vào đó

là hiện tượng khai thác cát đang diễn ra khó kiểm soát làm ảnh hưởng hình thái sông và sinh

kế của người dân sống dựa vào tài nguyên này

học với hơn 1500 ha rừng ngập trong lòng hồ cùng toàn bộ diện tích đất sản xuất của khu vực này bị mất, thêm vào đó nạn chặt phá rừng ngày càng gia tăng mạnh do khai thác gỗ và người dân không có đất sản xuất Rừng phòng hộ đầu nguồn bị lâm tặc chặt phá do lợi dụng địa thế, đường thủy trên lòng hồ và thực vật chết dần vì ngập nước làm cho tốc độ suy giảm tài nguyên rừng quá nhanh ở khu vực xung quanh dự án kéo theo đó là suy giảm đa dạng sinh học Hậu quả có thể thấy được đó là hiện

tượng rửa trôi, xói mòn đất xung quanh gây bồilắng lòng hồ làm giảm dung tích lòng hồ do, làmảnh hưởng đến khả năng cắt lũ

Trang 4

- Vấn đề liên quan đến đền bù di dân tái định cư và an sinh xã hội

- Các rủi ro và sự cố môi trường như vỡ đập, động đất

1.2 Nhiệt điện.

- Trong giai đoạn thi công công trình, chất gây ô nhiễm không khí chủ yếu là bụi sinh ra

từ quá trình san ủi đất, bốc dỡ vật liệu xây dựng và khói hàn có chứa bụi, CO, SOx, NOx, hydrocacrbon, khí thải của các phương tiện vận chuyển Tác động lên môi trường không khí

ở giai đoạn này có mức độ không lớn và chỉ mang tính tạm thời, nhưng cũng cần phải đánh giá để có biện pháp giảm thiểu thích hợp

- Tiếng ồn phát sinh ở giai đoạn này chủ yếu là từ các máy móc san ủi và các phương tiện vận chuyển

- Chất thải rắn chủ yếu trong giai đoạn này là các loại nguyên vật liệu xây dựng phế thải, rơi vãi như gạch ngói, xi măng, sắt thép vụn… Lượng chất thải này là tuỳ thuộc vào quy mô của từng công trình và trình độ quản lý của dự án, ngoài ra còn một số lượng nhỏ rácthải sinh hoạt

- Nước thải từ quá trình làm nguội thiết bị có lưu lượng lớn Loại nước thải này ít bị ô nhiễm và thường chỉ được làm nguội và cho chẩy thẳng ra nguồn nước mặt khu vực Tuy nhiên nước xả từ lò hơi lại có nhiệt độ, độ pH cao và có chứa một lượng nhỏ dầu mỡ, cặn lò không hoà tan, chất vô cơ Do vậy cần phải tách ra khỏi loại nước làm nguội khác để xử lý

- Nước thải từ các thiết bị lọc bụi và bãi thải xỉ có lưu lượng và hàm lượng cặn lơ lửng (bụi than) rất lớn

- Nước thải từ quá trình rửa thiết bị thường

có chứa dầu, mỡ, cặn và trong trường hợp rửa lòhơi có thể chứa cả axit, kiềm Do vậy nhìn chungnước thải từ công đoạn này có giá trị pH rất khác

Trang 5

nhau (axit hoặc kiềm) và chứa các chất rắn lơ lửng, một số ion kim loại với tổng lượng lên tới vài trăm m3/ngày

có thể tiếp xúc với môi trường sẽ dẫn đến những ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái

và con người

- Các chất thải được tạo ra sau phản ứng phân hạch chứa các nguyên tố không ổn định

và phóng xạ cao Nó rất nguy hiểm đối với môi trường cũng như sức khỏe con người và sẽ tồn tại trong một khoảng thời gian dài Nó cần được xử lý cẩn thận và phải cách biệt với môitrường sống Độ phóng xạ của các nguyên tố này sẽ giảm trong một thời gian, sau đó phân hủy Do đó, người ta phải được tích trữ và xử

lý một cách cẩn thận Việc tích trữ cácnguyên tố phóng xạ trong một thời gian dài làrất khó khăn

Ngoài ra, nguyên liệu sử dụng trong nhiệtđiện và điện hạt nhân ngày càng cạn kiệt màđiện là nguồn năng lượng không thể thiếutrong cuộc sống hiện tại

2 Xu thế chuyển sang sử dụng năng lượng sạch.

Ưu điểm của nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm, không bị cạn kiệt và là giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai

Trang 6

2.1 Pin nhiên liệu

Đây là kỹ thuật có thể cung cấp năng lượng cho con người mà không hề phát ra khi thải CO2 (cácbon điôxít) hoặc những chất thải độc hại khác Một pin nhiên liệu tiêu biểu có thể sản sinh ra điện năng trực tiếp bởi phản ứng giữa hydro và ôxy Hydro có thể lấy từ nhiều nguồn như khí thiên nhiên, khí mêtan lấy từ chất thải sinh vật và do không bị đốt cháy nên chúng không có khí thải độc hại Đi đầu trong lĩnh vực này là Nhật Bản Quốc gia này sản xuất được nhiều nguồn pin nhiên liệu khác nhau, dùng cho xe phương tiện giao thông, cho ôtô hoặc cả cho cả các thiết bị dân dụng như điện thoại di động

2.2 Năng lượng mặt trời.

Nhật Bản, Mỹ và một số quốc gia Tây Âu là những nơi đi đầu trong việc sử dụng nguồnnăng lượng mặt trời rất sớm (từ những năm 50 ở thế kỷ trước) Tính đến năm 2002, Nhật Bản đã sản xuất được khoảng 520.000 kW điện bằng pin mặt trời, với giá trung bình 800.000 Yên/kW, thấp hơn 10 lần so với cách đây trên một thập kỷ Nếu một gia đình người Nhật 4 người tiêu thụ từ 3 đến 4 kW điện/mỗi giờ, thì họ cần phải có diện tích từ 30-40 m2 mái nhà để lắp pin Nhật Bản phấn đấu đến năm 2010 sẽ sản xuất được hơn 8,2 triệu kW điện tử năng lượng mặt trời

2.3 Năng lượng từ đại dương

Đây là nguồn năng lượng vô cùng phong phú, nhất là quốc gia có diện tích biển lớn Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin phát điện Nguồn điện sản xuất ra có thểdùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển như hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường v.v…

2.4 Năng lượng gió.

Năng lượng gió được coi là nguồn năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có ởmọi nơi Người ta có thể sử dụng sức gió để quay các turbin phát điện Ví dụ như ở Hà Lan hay ở Anh, Mỹ Riêng tại Nhật mới đây người ta còn sản xuất thành công một turbin gió siêunhỏ, sản phẩm của hãng North Powen Turbin này có tên là NP 103, sử dụng một bình phát điện dùng cho đèn xe đạp thắp sáng hoặc giải trí có chiều dài cánh quạt là 20 cm, công suất điện là 3 W, đủ để thắp sáng một bóng đèn nhỏ

Trang 7

2.5 Dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe.

Dầu thực vật khi thải bỏ, nếu không được tận dụng sẽ gây lãng phí lớn và gây ô nhiễm môi trường Để khắc phục tình trạng này, tại Nhật có một công ty tên là Someya Shoten Group ở quận Sumida Tokyo đã tái chế các loại dầu này dùng làm xà phòng, phân bón và dầu VDF (nhiên liệu diezel thực vật) VDF không có các chất thải ôxít lưu huỳnh, còn lượngkhỏi đen thải ra chỉ bằng 1/3 so với các loại dầu truyền thống

2.6 Năng lượng từ tuyết.

Hiệp hội nghiên cứu năng lượng thiên nhiên ở Bihai của Nhật đã thành công trong việc ứng dụng tuyết để làm lạnh các kho hàng và điều hòa không khí ở những tòa nhà khi thời tiếtnóng bức Theo dự án này, tuyết được chứa trong các nhà kho để giữ nhiệt độ kho từ 0oC đến 4oC Đây là mức nhiệt độ lý tưởng dùng để bảo quản nông sản vì vậy mà giảm được chi phí sản xuất và giảm giá thành sản phẩm

2.7 Năng lượng từ sự lên men sinh học.

Nguồn năng lượng này được tạo bởi sự lên men sinh học các đồ phế thải sinh hoạt Theo

đó, người ta sẽ phân loại và đưa chúng vào những bể chứa để cho lên men nhằm tạo ra khí metan Khí đốt này sẽ làm cho động cơ hoạt động từ đó sản sinh ra điện năng Sau khi quá trình phân hủy hoàn tất, phần còn lại được sử dụng để làm phân bón

2.8 Nguồn năng lượng địa nhiệt.

Đây là nguồn năng lượng nằm sâu dưới lòng những hòn đảo, núi lửa Nguồn năng lượngnày có thể thu được bằng cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét sâu dưới lòng đất để chạy turbin điện Tại Nhật Bản hiện nay có tới 17 nhà máy kiểu này, lớn nhất có nhà máy địa nhiệt Hatchobaru ở Oita Kyushu, công suất 110.000 kW đủ điện năng cho 3.700 hộ gia đình

Trang 8

lớp băng vĩnh cửu và những tầng địa chất sâu bên dưới lòng đại dương và là nguồn nguyên liệu thay thế cho dầu lửa và than đá rất tốt

Việc sản xuất điện bằng những phương pháp không gây ảnh hưởng đến môi trường và con người là xu hướng tất yếu mà mỗi quốc gia đều hướng đến Trong đó, sản xuất điện gió, nguồn năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có ở mọi nơi, được rất nhiều quốc gia quan tâm, áp dụng

II Lịch sử phát triển của điện gió.

Năng lượng gió đã được sử dụng kể từ khi con người đưa cánh buồm ra khơi Hơn hai nghìn năm các máy bơm nước lên mặt đất chạy bằng năng lượng gió Năng lượng gió được

sử dụng rộng rãi và không giới hạn ở các dòng chảy của dòng chảy nhanh, hoặc sau đó, đòi hỏi nguồn nhiên liệu Các máy bơm chạy bằng năng lượng gió đã làm ráo riết các máy khoan của Hà Lan, và ở các khu vực khô cằn như vùng tây nam nước Mỹ hoặc vùng hẻo lánh của Úc, máy bơm gió cung cấp nước cho các động cơ hơi nước và động cơ hơi nước Cây cối đầu tiên được sử dụng để sản xuất điện được xây dựng tại Scotland vào tháng 7 năm

1887 bởi giáo sư James Blyth thuộc trường Anderson's College, Glasgow (tiền thân của Đại học Strathclyde) Tuabin gió của hãng Blyth đã được lắp đặt ở khu vườn của ngôi nhà nghỉ ởMarykirk thuộc Kincardineshire và được sử dụng để tích lũy accumulators của Pháp CamilleAlphonse Faure, để phát điện trong ngôi nhà, do đó trở thành ngôi nhà đầu tiên trên thế giới

có điện năng được cung cấp bởi điện gió Blyth cung cấp điện năng dư thừa cho người Marykirk để thắp sáng đường phố chính, tuy nhiên, họ đã từ chối cung cấp khi họ nghĩ điện

là "công việc của ma quỷ" Mặc dù sau đó ông đã xây dựng một tua-bin gió cung cấp quyền lực khẩn cấp cho Lunatic Asylum, Bệnh xá và Bệnh viện Montrose, sáng chế không bao giờ thực sự bị bắt vì công nghệ này không được coi là có khả năng kinh tế Trên khắp Đại Tây Dương, ở Cleveland, Ohio một máy thiết kế lớn hơn và được thiết kế và xây dựng vào mùa đông năm 1887-1888 bởi Charles F Brush, được xây dựng bởi công ty kỹ thuật của ông tại nhà và hoạt động từ năm 1886 đến năm 1900 Tuabin gió Brush có đường kính của rotor 17 mét (56 ft) và được gắn trên một tháp cao 18 mét (59 ft) Mặc dù lớn theo tiêu chuẩn ngày nay, máy chỉ được đánh giá ở mức 12 kW Các máy phát điện được kết nối đã được sử dụng hoặc để tính phí một ngân hàng của pin hoặc để hoạt động lên đến 100 bóng đèn sợi đốt, ba

Trang 9

đèn hồ quang, và các động cơ khác nhau trong phòng thí nghiệm của Brush Với sự phát triển của điện năng, điện gió tìm thấy những ứng dụng mới trong các tòa nhà ánh sáng từ nguồn điện do Trung ương tạo ra Trong suốt thế kỷ 20, những con đường song song đã pháttriển các trạm gió nhỏ thích hợp cho các trang trại hoặc nhà ở, và các máy phát điện gió có quy mô lớn hơn có thể được kết nối với lưới điện điện để sử dụng từ xa Ngày nay, các máy phát điện chạy bằng gió hoạt động ở mọi quy mô giữa các trạm nhỏ để sạc pin tại các khu nhà cô lập, đến các giếng gió ngoài khơi có kích cỡ gần gigawatt cung cấp năng lượng điện cho các mạng lưới điện quốc gia

III Cấu tạo của tua bin gió

1 Cánh quạt.

1.1 Thiết kế của cánh quạt.

Hình dạng và kích thước của lưỡi xoay của tuabin gió được xác định bởi hiệu suất khí động học cần thiết để thu năng lượng từ gió một cách hiệu quả và bởi sức mạnh cần thiết để chống lại lực trên lưỡi dao

Tua bin hoạt động dựa trên phương trình quản lý khai thác điện:

Trong đó: P là công suất, F là vector lực, và v là vận tốc của phần tuabin gió di chuyển.Lực F được tạo ra bởi sự tương tác của gió

với các cánh quạt Độ lớn và sự phân bố củalực này là trọng tâm của nguyên lý khí độnghọc tuabin gió Loại động lực khí động họcquen thuộc nhất là lực kéo Hướng của lực kéotương đương với gió tương ứng Thông thường,các bộ phận tuabin gió di chuyển tạo ra dòngchảy thay thế một phần dòng chảy xung quanh

Wind turbine components : 1- Foundation , 2- Connection to the electric grid , 3- Tower , 4-Access ladder, 5- Wind orientation control (Yaw control) , 6- Nacelle , 7-

Generator , 8- Anemometer ,

9-Electric or Mechanical Brake, 10- Gearbox , 11- Rotor blade , 12- Blade pitch control , 13- Rotor hub.

Trang 10

Để tạo ra năng lượng, phần tuabin phải di chuyểntheo hướng lực Trong trường hợp lực kéo, tốc độ giótương đối giảm khiên lực kéo cũng giảm sau đó Khíacạnh gió tương đối đột ngột giới hạn công suất tối đa cóthể được tạo ra bởi một tua-bin gió Tua bin gió dựa trênthang máy thường có bề mặt nâng di chuyển vuông gócvới dòng chảy Ở đây, tốc độ gió tương đối không giảm

mà nó tăng lên bằng với tốc độ rotor Do đó, giới hạncông suất tối đa của những máy này cao hơn nhiều so vớicác máy kéo thông thường

Tỷ lệ giữa tốc độ của đầu lưỡi dao và tốc độ của gióđược gọi là tỷ lệ tốc độ đầu Các tuabin có hiệu suất cao có tốc độ gió trên tua-bin từ 6 đến 7.Các tuabin gió hiện đại được thiết kế để quay ở tốc độ khác nhau phù hợp với từng chế độ hoạt động khác nhau Việc sử dụng nhôm và vật liệu composite trong các cánh quạt đã góp phần tạo ra quán tính quay thấp, điều này có nghĩa là các tua-bin gió mới có thể tăng tốc nhanh chóng nếu gió thổi, giữ tỉ lệ tốc độ mũi gần như không đổi Hoạt động gần với tỷ lệ tốc độ đầu tối ưu của chúng trong khi gió thổi mạnh mẽ cho phép tua-bin gió cải thiện năng lượng khai thác từ những cơn gió đột ngột, điển hình ở khu vực thành thị Ngược lại, các tuabin gió kiểu cũ được thiết kế với lưỡi thép nặng hơn, có quán tính cao hơn, và xoay ở tốc

độ điều chỉnh bởi tần số AC của đường dây điện Độ quán tính cao đã làm giảm sự thay đổi tốc độ quay và do đó làm cho sản lượng điện ổn định hơn

Nói chung có thể hiểu rằng tiếng ồn tăng lên khi tốc độ đầu cao hơn Để tăng tốc độ đầu

mà không làm tăng tiếng ồn sẽ phải làm giảm mô men xoắn vào hộp số và máy phát điện, giảm tải cấu trúc tổng thể, do đó giảm chi phí Giảm tiếng ồn liên quan đến tính khí động học chi tiết của cánh quạt, đặc biệt là các yếu tố làm giảm sự hoạt động liên tục Một số cánhquạt (chủ yếu là trên Enercon) có một cánh nhỏ để tăng hiệu suất hoặc làm giảm tiếng ồn Các cánh quạt có thể có tỷ số xoắn là 120 so với 70 cho máy bay chở hàng và 15 đối với máy bay chở khách

Trang 11

Vào năm 1919, nhà vật lí Albert Betz đã chỉ ra rằng đối với một chiếc máy lý tưởng năng lượng gió lý tưởng, các quy luật cơ bản về bảo toàn khối lượng và năng lượng cho phép thu được không quá 59,3% năng lượng động học của gió Giới hạn mà định luật Betz

đề ra có thể được thực hiện bằng các thiết kế tua bin hiện đại, có thể đạt tới 70 đến 80% giới hạn lý thuyết này

1.2 Bộ phận trung tâm (The hub).

Với những thiết kế đơn giản, các cánh quạt được gắntrực tiếp vào trục trung tâm và không thể mở rộng giúpgiữ cho khoảng không khí động học trên cánh quạt tốc độ

ổn định Trong các thiết kế phức tạp hơn, chúng được gắnvào ổ đĩa, điều chỉnh góc nghiêng của chúng với sự trợgiúp của một hệ thống pitch thích ứng theo tốc độ gió đểđiều khiển tốc độ quay của chúng Vòng bi chính nó đượcgắn vào trung tâm Bộ phận trung tâm được cố định vào trục rotor vận hành máy phát điện trực tiếp hoặc thông qua một hộp số

1.3 Số lượng cánh quạt.

Số lượng cánh quạt được quyết định sao cho hiệu quả khí động học cao nhất, chi phí thành phần ít nhất, và độ tin cậy ổn định của hệ thống Tiếng ồn do tuabin phát ra bị ảnh hưởng bởi vị trí của cánh quạt theo chiều gió là hướng lên hay hướng xuống và tốc độ của rotor Do sự phát thải tiếng ồn từ các cạnh và đầu mút của lưỡi quạt thay đổi theo sức của tốc

độ gió trên cạnh quạt, một sự gia tăng nhỏ trong tốc độ mũi có thể tạo ra sự khác biệt lớn.Các tuabin gió phát triển trong 50 năm gần đây hầu như đã được

sử dụng hoặc là hai hoặc ba cánh Tuy nhiên vẫn có những thiết kế cóthêm cánh quạt được thử nghiệm Chẳng hạn như lưỡi curot gió tíchhợp của hệ thống lưỡi curoa đa năng của Chan Shin Hiệu suất khíđộng học tăng với số lưỡi nhưng với sự trở lại giảm dần Tăng sốcánh từ một đến hai mang lại hiệu quả khí động học tăng lên 6%,trong khi tăng từ 2-3 lần công suất chỉ tăng thêm 3% hiệu quả Tăng

Trang 12

thêm số cánh cho phép nâng cao tối đa hiệu quả khí động học và sự hy sinh quá nhiều về độ chắc chắn của cánh quạt vì nó trở nên mỏng hơn

Về mặt lý thuyết, sử dụng vô hạn của cánh quạt với kích thước nhỏ là hiệu quả nhất, nó giúp có được tốc độ đầu lớn nhất Nhưng vẫn cần đề cập đến vấn đề sắp xếp của các cánh quạt

Độ ổn định của hệ thống bị ảnh hưởng bởi số lượng cánhchủ yếu thông qua việc tải động của rotor vào hệ thốngchuyền động và tháp Trong khi điều chỉnh tuabin gió đểthay đổi hướng gió (Yawing), mỗi cánh sẽ có tải tuần hoàn ởđầu gốc phụ thuộc vào vị trí của nó Điều này đúng với một,hai, ba cánh hoặc nhiều hơn Tuy nhiên, các tải tuần hoànnày khi kết hợp với nhau ở trục truyền động của tuabin sẽđược cân đối đối xứng khi dùng ba lưỡi, tạo ra hoạt độngmượt mà hơn Các tua-bin có một hoặc hai lưỡi dao có thể sửdụng trục xoay để xoay gần và gần như loại bỏ các tải tuầnhoàn vào trục và hệ thống truyền động Một tuabin của Trung Quốc 3,6 MW đang được thử nghiệm tại Đan Mạch Mingyang đã thắng thầu cho các tua bin gió ngoài khơi có công suất

87 MW (29 * 3 MW) gần Chu Hải vào năm 2013

Cuối cùng, thẩm mỹ học có thể được coi là một yếu tố trong đó một số người thấy rằng cánh quạt ba cánh có vẻ phù hợp hơn là một cánh quạt một hoặc hai cánh quạt

1.4 Vật liệu sản xuất cánh quạt.

Nói chung, các tài liệu lý tưởng để làm cánh quạt cần đáp ứng các tiêu chí sau:

- Sẵn có rộng rãi và chế biến dễ dàng để giảm chi phí và bảo trì

Trang 13

phóng mặt bằng với tháp

- Độ dẻo dai cao

Vì vậy rất ít vật liệu có thể chấp nhận được Kim loại sẽ không được mong muốn bởi vì chúng dễ bị mệt mỏi Gốm sứ có độ dẻo dai thấp, có thể dẫn đến hỏng hóc sớm Các polyme truyền thống không cứng, đủ để có ích, và gỗ có vấn đề với khả năng lặp lại, đặc biệt là xem xét độ dài của cánh Vì vậy các vật liệu composite được tăng cường chất xơ, có độ bền và độcứng cao và mật độ thấp trở thanhd một loại vật liệu rất thích hợp cho việc thiết kế tuabin gió

Trong lịch sử những cánh buồm bằng gỗ và vải đã được sử dụng trên các cối xay gió đầu do giá thành, sự sẵn có và dễ sản xuất Cánh nhỏ hơn có thể được làm từ kim loại nhẹ như nhôm Tuy nhiên, những tài liệu này đòi hỏi phải bảo trì thường xuyên Việc xây dựng bằng gỗ và vải chỉ tạo ra hình dạng phẳng cho cánh quạt, có tỷ lệ kéo tương đối cao để đạt được hiệu quả khí động học thấp so với các đường gân đặc Việc xây dựng các thiết kế cánh không rắn chắc đòi hỏi các vật liệu không linh hoạt như kim loại hoặc vật liệu composite.Đến năm 2015, các đường kính rotor của lưỡi xoáy gió trên bờ lớn đến 130 m, trong khi đường kính tua bin ngoài khơi đã đạt tới 170 m Năm 2001, khoảng 50 triệu kg sợi thủy tinh laminate đã được sử dụng trong việc sản xuất lưỡi xoay tuabin gió

Một mục tiêu quan trọng của các hệ thống cánh quạt là kiểm soát trọng lượng của nó Vìkhối lượng lưỡi dao như khối cầu của bán kính tuabin, tải trọng do các hệ thống ép trọng lực

Trang 14

với các lưỡi lớn hơn Tải trọng hấp dẫn bao gồm tải trọng trục và lực căng / nén (trên cùng / dưới cùng của luân chuyển) cũng như uốn (vị trí bên) Độ lớn của các tải này dao động theo chu kỳ và những khoảnh khắc tiếp xúc (xem bên dưới) được đảo ngược mỗi 180 ° quay Tốc

độ cánh quạt điển hình và tuổi thọ thiết kế là 10 năm và 20 năm, với số lần quay vòng đời là

10 ^ 8 Xem xét gió, người ta hy vọng lưỡi xoa tuabin sẽ đi qua ~ 10 ^ 9 chu kỳ tải Gió là một nguồn nạp lưỡi rotor Lực nâng làm uốn theo chiều dẹt (ra khỏi máy bay cánh quạt) trong khi luồng không khí xung quanh lưỡi cắt gây ra uốn cong (trong mặt phẳng rotor) Sự uốn cong bao gồm áp suất lớn (hướng gió) và nén ở phần hút (hướng gió) Cạnh uốn cong cần áp lực lên trên cạnh đầu và nén ở cạnh sau

Tải trọng gió theo chu kỳ do sự thay đổi tự nhiên của tốc độ gió và tốc độ gió (tốc độ cao hơn ở phía trên của vòng quay)

Thất bại trong việc tải cuối cùng của lưỡi xoáy tua-bin gió tiếp xúc với tải trọng gió và trọng tải là một chế độ hỏng mà cần phải được xem xét khi các lưỡi xoa rotor được thiết kế Tốc độ gió gây uốn cong lưỡi cánh quạt thể hiện sự biến thiên tự nhiên, cũng như phản ứng lại áp lực trong lưỡi rotor Ngoài ra, sức chống chịu của cánh quạt rotor, về độ bền kéo, thể hiện sự biến thiên tự nhiên

Dưới ánh sáng của các phương thức thất bại và các hệ thống phiến lớn hơn, đã có những

nỗ lực không ngừng để phát triển các vật liệu hiệu quả với tỷ lệ sức mạnh / vật liệu cao hơn

Để kéo dài tuổi thọ của lưỡi dao 20 năm hiện tại và cho phép các lưỡi cắt diện tích lớn hơn

có hiệu quả về chi phí, thiết kế và vật liệu cần được tối ưu hóa về độ cứng, sức mạnh và tính chống chịu mỏi

Phần lớn các lưỡi tuabin gió thương mại hiện nay được làm từ các polyme tăng cường chất sợi (FRPs), là hỗn hợp gồm một ma trận polymer và các sợi Các sợi dài cung cấp độ cứng và độ cứng theo chiều dọc, và ma trận cung cấp độ dẻo dai, độ phân mảnh, cường độ ngoài mặt phẳng, và độ cứng Các chỉ số vật liệu dựa trên hiệu quả năng lượng tối đa, và có

độ dẻo dai cao, tính chịu mệt mỏi, và sự ổn định về nhiệt độ, đã được chứng minh là cao nhất đối với thủy tinh và chất dẻo bằng sợi cacbon (CFRPs và GFRP)

Trang 15

Sản xuất lưỡi dao trong khoảng 40 đến 50 mét liên quan đến kỹ thuật chế tạo sợi thủy tinh composite đã được chứng minh Các nhà sản xuất như Nordex SE và GE Wind sử dụng một quá trình truyền Các nhà sản xuất khác sử dụng các kỹ thuật này, một số bao gồm carbon và gỗ với sợi thủy tinh trong ma trận epoxy Các lựa chọn khác bao gồm cả sợi thủy tinh prepregnated ("prepreg") và đúc bằng nhựa ép chân không Mỗi một trong số các lựa chọn này sử dụng một hỗn hợp polymer sợi thủy tinh được gia cố với sự phức tạp khác nhau

Có lẽ vấn đề lớn nhất với các hệ thống ướt, đơn giản, đơn giản, là lượng khí thải liên quan đến các chất hữu cơ dễ bay hơi được giải phóng Vật liệu được preimpregnated và kỹ thuật truyền nhựa tránh sự phóng thích các chất dễ bay hơi bằng cách chứa tất cả VOCs Tuy nhiên, những quy trình này chứa những thách thức riêng của chúng, cụ thể là việc sản xuất các lớp mỏng dày đặc cần thiết cho các bộ phận kết cấu trở nên khó khăn hơn Vì tính thấm thấu của nhựa khuôn preform nên độ dầy lớp laminate tối đa cần thiết để loại bỏ lỗ rỗng và đảm bảo sự phân bố của nhựa Một giải pháp để phân phối nhựa một sợi thủy tinh được preimpregnated Trong quá trình sơ tán, vải khô tạo ra một luồng không khí và khi nhiệt và

áp lực được đưa vào, nhựa có thể chảy vào vùng khô dẫn đến kết cấu tráng men triệt để Các vật liệu composite epoxy có lợi thế về môi trường, sản xuất và chi phí so với các loại nhựa khác Epoxies có chu kỳ bảo dưỡng ngắn hơn, tăng độ bền và cải thiện bề mặt Cáchoạt động của Prepreg làm giảm thời gian xử lý các hệ thống xử lý ướt Khi cánh quạt tua bin vượt qua 60 mét, kỹ thuật truyền dịch trở nên phổ biến hơn; nhựa truyền thống chuyển đổi khuôn đúc thời gian là quá dài so với nhựa thời gian thiết lập, hạn chế độ dày của laminate Chất tiêm ép nhựa thông qua một đống dày hơn, do đó lắng đọng nhựa trong cấu trúc laminate trước khi gelation xảy ra Nhựa epoxy chuyên dụng đã được phát triển để tùy chỉnh tuổi thọ và độ nhớt

Cacbon trong lưỡi xoay tuabin 60m được ước tính giảm 38% tổng khối lượng cánh và giảm chi phí 14% so với sợi thủy tinh 100% Các sợi cacbon có lợi ích bổ sung là làm giảm

độ dày của các mặt cắt bằng sợi thủy tinh, tiếp tục giải quyết các vấn đề liên quan đến việc làm ướt chất dẻo Các tuabin gió cũng có thể có lợi từ xu hướng chung của việc sử dụng ngày càng tăng và giảm chi Thép chịu lực bằng sợi cacbon có thể làm giảm trọng lượng và tăng độ cứng Sử dụng sợi phí cho các vật liệu sợi cacbon

Trang 16

Mặc dù sợi thủy tinh và sợi cacbon có nhiều tính năng tối ưu cho hiệu suất lưỡi tuabin, nhưng có một số nhược điểm đối với các chất bổ sung hiện tại, bao gồm phần bù cao (10-70% trọng lượng) làm tăng mật độ cũng như các khiếm khuyết và lỗ rỗng kích thước hiển vi nên sớm thất bại

Những phát triển gần đây bao gồm sự quan tâm đến việc sử dụng ống nano cacbon (CNT) để tăng cường các vật liệu nanocơ dựa trên polyme CNT có thể được trồng hoặc lắngđọng trên các sợi, hoặc thêm vào nhựa polyme như một ma trận cho cấu trúc FRP Sử dụng nano CNT làm chất độn thay vì chất bổ sung vi mô truyền thống (như sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon) dẫn đến CNT / polymer nanocomposite, cho phép các tính chất có thể thay đổi đáng

kể với hàm lượng chất rất thấp (thường <5% trọng lượng) Họ có mật độ rất thấp, và cải thiện mô đun đàn hồi, sức mạnh, và độ dẻo dẻo của ma trận polymer Việc bổ sung CNT vào

ma trận cũng làm giảm sự lan truyền các vết nứt giữa các vi khuẩn có thể là một vấn đề trong các FRP truyền thống

Cải tiến hơn nữa có thể thông qua là việc sử dụng cacbon nano (CNFs) trong lớp phủ cánh Một vấn đề lớn trong môi trường sa mạc là gió mang cát có thể ăn mòn các cạnh lồi của cánh làm tăng sự gồ ghề và làm giảm hiệu suất khí động học Khả năng chống xói mòn hạt của polyme tăng cường sợi là yếu hơn so với vật liệu kim loại và chất đàn hồi và cần được cải thiện Nó đã được chỉ ra rằng việc thay thế sợi thủy tinh với CNF trên bề mặt composite đã cải thiện đáng kể sức đề kháng xói mòn CNF cũng cho thấy tính dẫn điện tốt (quan trọng đối khi có sấm chớp), tỷ lệ giảm chấn cao, và khả năng chống ma sát tốt Các tính chất này làm cho máy CNop dựa trên CNF là một lớp phủ tương lai cho các lưỡi xoay tuabin gió

1.5 Tái chế cánh quạt.

Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu (GWEC) dự đoán năng lượng gió sẽ cung cấp 15,7% nhu cầu năng lượng cho thế giới vào năm 2020 và 28,5% vào năm 2030 Sự gia tăng mạnh mẽ này trong việc tạo ra năng lượng gió toàn cầu sẽ đòi hỏi phải lắp đặt một đội tua-bin gió mới hiệu quả hơn và hậu quả là việc ngừng hoạt động của những con người già đi Dựa trên một nghiên cứu do Hiệp hội Năng lượng Gió Châu Âu thực hiện, riêng trong năm

2010, ngành công nghiệp tuabin gió đã tiêu thụ từ 110 đến 140 kilotons composites để sản

Trang 17

xuất các cánh quạt Phần lớn các vật liệu lưỡi cuối cùng sẽ kết thúc như chất thải, và để phù hợp với mức chất thải composite này, lựa chọn duy nhất là tái chế Thông thường, sợi thủy tinh-polyme (GFRPs) được tạo bởi khoảng 70% vật liệu laminate GFRPs không thể đốt cháy được Vì vậy, các phương pháp tái chế thông thường cần được sửa đổi Hiện tại, tùy thuộc vào việc có thể phục hồi được các sợi riêng lẻ, có một vài phương pháp chung để tái chế GFRPs trong lưỡi xoắn của tuabin gió:

Tái chế cơ học: Phương pháp này không phục hồi từng sợi riêng lẻ Quá trình ban đầu liên quan đến việc xẻ, nghiền Các mảnh nghiền nát sau đó được tách ra thành các phân đoạngiàu chất xơ và giàu chất nhựa Những phân số này cuối cùng được kết hợp vào các vật liệu composite mới hoặc là các chất độn hoặc quân tiếp viện

Chế biến hóa học / Pyrolysis: Sự phân hủy nhiệt của composit được sử dụng để phục hồicác sợi riêng lẻ Đối với nhiệt phân, vật liệu được làm nóng đến 500 °C trong môi trường không có oxy, do đó làm nó phân hủy thành các chất hữu cơ có trọng lượng thấp và / hoặc các sản phẩm khí Các sợi thủy tinh thường sẽ mất 50% sức mạnh ban đầu của chúng và bây giờ có thể được downcycled cho các ứng dụng tăng cường sợi trong sơn hoặc bê tông Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự lựa chọn cuối đời này có thể phục hồi lên đến xấp xỉ 19 MJ /

kg Tuy nhiên, phương pháp này có chi phí tương đối cao và đòi hỏi phải có quá trình gia công cơ học tương tự Ngoài ra, nó chưa được sửa đổi để đáp ứng nhu cầu về tái chế lưỡi curoa tua bin gió quy mô lớn

2 Bộ phận điều khiển năng lượng.

Tốc độ quay của tuabin gió phảiđược kiểm soát để tạo ra hiệu quảnăng lượng và giữ cho các thành phầncủa tuabin trong giới hạn tốc độ vàmô-men thiết kế Lực ly tâm trên cáclưỡi quay tăng lên tỉ lệ với bìnhphương của tốc độ quay, làm cho cấutrúc này rất nhạy cảm với tốc độ quá

Trang 18

cao Bởi vì sức mạnh của gió gia tăng khi khối cầu của tốc độ gió, các tuabin phải được xây dựng để tồn tại nhiều gió hơn (như gió thổi) so với những động cơ mà họ thực tế có thể tạo

ra năng lượng Các tuabin gió có cách giảm momen xoắn ở gió lớn

Một tuabin gió được thiết kế để sản xuất điện năng qua một loạt các tốc độ gió Tốc độ cắt giảm khoảng 3-4 m/s đối với hầu hết các tuabin, và cắt ra ở 25 m/s Nếu tốc độ gió vượt quá được vượt quá thì sức mạnh phải được giới hạn Có nhiều cách để đạt được điều này.Một hệ thống điều khiển bao gồm ba yếu tố cơ bản: cảm biến để đo biến quy trình, cơ cấu chấp hành để thao tác lấy năng lượng và nạp thành phần, và các thuật toán điều khiển để phối hợp bộ truyền động dựa trên thông tin thu thập được bởi các cảm biến

Tất cả các tuabin gió được thiết kế cho một tốc độ gió lớn nhất, được gọi là tốc độ sống sót, trên đó chúng sẽ bị hư hỏng Tốc độ sống sót của tuabin gió thương mại nằm trong khoảng 40 m/s (144 km/h, 89 mph) đến 72 m/s (259 km/h, 161 mph) Tốc độ sống sót phổ biến nhất là 60 m/s (216 km/h, 134 mph) Một số được thiết kế để tồn tại 80 m/s (290 km/h,

180 dặm/ giờ)

2.1 Stall.

Làm chậm hoạt động bằng cách tăng góc độ mà tại đó gió tương ứng thổi tới các lưỡi xoay và nó làm giảm lực kéo gây ra (kéo liên kết với nâng) Việc giữ lại đơn giản vì nó có thể được thực hiện một cách thụ động (nó sẽ tự động tăng lên khi gió tăng tốc), nhưng nó làm tăng mặt cắt của mặt lưỡi đối mặt với gió, và do đó là sự kéo theo thông thường Một lưỡi tuabin hoàn toàn bị ngưng, khi dừng lại, có mặt phẳng của lưỡi đối diện trực tiếp vào gió

Một chiếc HAWT tốc độ cố định (tua bin gió trục ngang) vốn có thể làm tăng góc tấn công ở tốc độ gió cao hơn khi lưỡi dao tăng tốc Một chiến thuật tự nhiên, sau đó, là để cho lưỡi dao dừng lại khi tốc độ gió tăng lên Kỹ thuật này đã được sử dụng thành công trên nhiều HAWT sớm Tuy nhiên, trên một số bộ lưỡi, nó đã được quan sát thấy rằng mức độ của lưỡi dao có xu hướng tăng mức độ tiếng ồn âm thanh

Trang 19

Máy phát xoáy nước có thể được sử dụng để kiểm soát các đặc tính nâng của lưỡi Các VGs được đặt trên mặt đường để nâng cao thang máy nếu chúng được đặt trên bề mặt thấp hơn (hạ thấp) hoặc giới hạn chiều cao tối đa nếu đặt trên bề mặt phía trên (cao hơn)

Furling hoạt động bằng cách giảm góc tấn công, làm giảm lực kéo gây ra từ thang máy của rotor, cũng như mặt cắt ngang Một trong những vấn đề lớn trong việc thiết kế tua-bin gió là làm cho các lưỡi dao hoặc buông thả nhanh chóng nếu một cơn gió thổi mạnh Một lưỡi tuabin có lông hoàn toàn, khi dừng lại, có cạnh của lưỡi đối diện với gió

Tải trọng có thể được giảm bằng cách làm cho một hệ thống kết cấu mềm hơn hoặc linh hoạt hơn Điều này có thể được thực hiện với các cánh quạt hướng xuống hoặc với các lưỡi xoắn cong xoắn tự nhiên để giảm góc tấn công ở tốc độ gió cao hơn Các hệ thống này sẽ không tuyến tính và sẽ ghép cấu trúc với trường dòng chảy - do đó, các công cụ thiết kế phảiphát triển để mô hình các phi tuyến này

Các tua bin tiêu chuẩn hiện đại đều lượn lưỡi dao trong gió cao Kể từ khi lông cần phải hoạt động chống lại mô men trên lưỡi, nó đòi hỏi một số hình thức kiểm soát góc sân, đạt được với một lái quay Ổ đĩa này chính xác góc lưỡi dao trong khi vẫn giữ được lực xoắn cao Ngoài ra, nhiều tuabin sử dụng hệ thống thủy lực Các hệ thống này thường được nạp bằng lò xo, do đó, nếu điện thủy lực không thành công, các lưỡi dao sẽ tự động rung lên Cáctuabin khác sử dụng động cơ servo điện cho mỗi lưỡi rotor Họ có một dự trữ pin nhỏ trong trường hợp một sự cố điện lưới Tua bin gió nhỏ (dưới 50 kW) với các hệ thống sử dụng phổbiến bằng vận tốc bằng lực ly tâm, hoặc bằng máy bay hoặc thiết kế hình học, và không sử dụng các điều khiển điện hoặc thủy lực

Khoảng trống cơ bản tồn tại trong kiểm soát sân bay, hạn chế việc giảm chi phí năng lượng, theo một báo cáo của liên minh các nhà nghiên cứu từ các trường đại học, ngành công nghiệp và chính phủ, được hỗ trợ bởi Trung tâm Atkinson về Tương lai bền vững Giảm tải hiện đang tập trung vào việc kiểm soát độ rộng của cánh quạt, bởi vì các động cơ pitch riêng biệt là các thiết bị truyền động hiện có trên tuabin thương mại Giảm tải đáng kể

đã được chứng minh trong mô phỏng cho lưỡi, tháp, và xe lửa Tuy nhiên, vẫn còn những

Trang 20

nghiên cứu cần thiết, cần phải phát triển các phương pháp để thực hiện kiểm soát độ rộng cánh quạt toàn phần để tăng khả năng thu năng lượng và giảm tải trọng mỏi

Một kỹ thuật điều khiển được áp dụng cho góc pitch được thực hiện bằng cách so sánh công suất hoạt động hiện tại của động cơ với giá trị công suất hoạt động ở tốc độ động cơ đánh giá (tham chiếu công suất hoạt động, tham chiếu Ps) Kiểm soát góc độ sân trong trường hợp này được thực hiện bằng điều khiển bộ điều khiển PI Tuy nhiên, để có một phảnứng thực tế đối với hệ thống điều khiển của góc sân khấu, thiết bị truyền động sử dụng thời gian không đổi Tservo, một bộ tích phân và giới hạn như là góc pitch từ 0° đến 30° với tốc

độ thay đổi (± 10° mỗi giây)

Từ hình bên phải, góc pitch tham chiếuđược so sánh với góc pitch thực tế b và sau đólỗi được điều chỉnh bởi bộ truyền động Góc sântrường tham chiếu, xuất phát từ bộ điều khiển

PI, đi qua một giới hạn Hạn chế về giới hạn là rất quan trọng để duy trì góc sân theo thời gian thực Hạn chế tốc độ thay đổi là rất quan trọng đặc biệt là trong các lỗi trong mạng Tầm quan trọng là do bộ điều khiển quyết định tốc độ nó có thể làm giảm năng lượng khí động học để tránh tăng tốc trong khi xảy ra lỗi

2.2 Controller.

2.2.1 Mômen máy phát điện.

Các tua-bin gió lớn hiện đại là các máy biến tốc Khi tốc độ gió thấp hơn tính toán, mô men xoắn của máy phát được sử dụng để điều khiển tốc độ của rotor nhằm thu được càng nhiều điện năng càng tốt Công suất lớn nhất được giữ nguyên khi tỷ lệ tốc độ đầu được giữ

cố định ở giá trị tối ưu (thường là 6 hoặc 7) Điều này có nghĩa là khi tốc độ gió tăng, tốc độ của rotor sẽ tăng tương ứng Sự khác biệt giữa mô men xoắn khí động học được giữ bởi các lưỡi xoa và momen xoắn của máy phát được điều khiển tốc độ rotor Nếu mô-men xoắn của máy phát thấp, rotor sẽ tăng tốc, và nếu mô-men xoắn của máy phát điện cao hơn, rotor sẽ chậm lại Tốc độ gió thấp hơn tính toán, điều khiển mô-men xoắn của máy phát sẽ hoạt độngtrong khi độ nghiêng của phiến thường được giữ ở góc hẹp, thu được công suất lớn nhất, khá

Trang 21

phẳng so với gió Trên tốc độ gió được đánh giá, mô-men xoắn của máy phát thường được giữ ổn định trong khi độ lưỡi dao đang hoạt động

Một kỹ thuật điều khiển động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu là Kiểm soát theo trường

Kiểm soát theo hướng ngoài là một cách thứcvòng kín gồm hai bộ điều khiển hiện tại (mộtvòng lặp bên trong và thiết kế thác vòng ngoài)cần thiết để điều khiển mô-men xoắn, và một bộđiều khiển tốc độ

2.2.2 Kiểm soát góc momen liên tục.

Trong cách kiểm soát này, dòng trục D được giữ bằng không, trong khi dòng vector nằmdọc theo trục q để duy trì góc momen bằng 90° Đây là một trong những phương thức kiểm soát được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn giản, bằng cách chỉ kiểm soát hiện tại Iqs Vì vậy, bây giờ công thức mô-men xoắn điện từ của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chỉ đơn giản là một phương trình tuyến tính phụ thuộc vào Iqs hiện tại

Khi mô men điện từ cho Id = 0 (chúng ta có thể đạt được điều đó với bộ điều khiển trục

D bây giờ là:

Te = 3/2 p (λpm Iqs + (Lds-Lqs) Id Iqs) = 3/2 p λpm Iqspm Iqs + (Lds-Lqs) Id Iqs) = 3/2 p λpm Iqs + (Lds-Lqs) Id Iqs) = 3/2 p λpm Iqspm Iqs

Vì vậy, hệ thống hoàn chỉnh của bộ chuyển đổi bên máy và các vòng lặp điều khiển PI được đưa ra bởi hình bên phải Trong đó chúng tôi có các đầu vào điều khiển, đó là các phầnmds và mqs, của bộ chuyển đổi PWM quy định Ngoài ra, chúng ta có thể thấy sơ đồ điều khiển cho tuabin gió ở phía máy và đồng thời chúng ta giữ Id như thế nào (phương trình mômen xoắn điện từ là tuyến tính)

Trang 22

2.3 Yawing

Phần trăm đầu ra so với góc gióCác tua-bin gió lớn hiện đại thường đượckiểm soát chủ động để đối mặt với hướng gióđược đo bằng cánh gió ở phía sau của thân

Bằng cách giảm thiểu góc nghiêng (sự lệchhướng giữa hướng gió và tuabin), sản lượng điệnđược khuếch đại và giảm thiểu các tải không đốixứng Tuy nhiên, vì hướng gió thay đổi nhanhchóng nên tuabin sẽ không theo đúng hướng và

sẽ có một góc nghiêng nhỏ Các tổn thất sảnlượng điện năng chỉ đơn giản có thể được xấp xỉ

để rơi vào (cos (góc nghiêng)) ^3 Đặc biệt ở tốc độ gió từ thấp đến trung bình, sự nghiêng

có thể làm giảm đáng kể sản lượng của tua bin, với các biến động hướng gió khoảng ± 30 ° khá phổ biến và thời gian đáp ứng lâu của tuabin thay đổi theo hướng gió Ở tốc độ gió cao, hướng gió ít biến đổi hơn

Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió

Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” địnhđược hướng gió

Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yawdrive” để định hướng tuabin gió

2.4 Phanh.

2.4.1 Phanh điện.

2kW Điện trở phanh động cho tuabin gió nhỏ

Trang 23

Phanh một tuabin gió nhỏ có thể được thực hiện bằng cách đưa năng lượng từ máy phát điện vào một ngân hàng điện trở, chuyển đổi năng lượng động học quay vòng tuabin thành nhiệt Phương pháp này hữu ích nếu tải động học trên máy phát điện đột ngột giảm hoặc quánhỏ để giữ tốc độ tuabin trong giới hạn cho phép

Phanh tuần hoàn làm cho lưỡi cưa chậm lại, làm tăng hiệu quả cản trở, làm giảm hiệu quả của lưỡi dao Bằng cách này, luân chuyển của tuabin có thể được giữ ở tốc độ an toàn với gió nhanh hơn trong khi duy trì công suất ra (danh nghĩa) Phương pháp này thường không áp dụng cho các tua-bin gió nối lưới lớn

2.4.2 Phanh cơ khí.

Một phanh đĩa hoặc đĩa phanh cơ học được sử dụng để ngưng turbine trong trường hợp khẩn cấp như các cơn gió cực mạnh hoặc quá tốc độ Phanh này là phương tiện thứ yếu để giữ tua-bin khi nghỉ ngơi để bảo trì, với hệ thống khóa rôto là phương tiện chủ yếu Phanh như vậy thường chỉ được áp dụng sau khi lưỡi dao phanh và phanh điện từ đã làm giảm tốc

độ tua-bin nói chung là 1 hoặc 2 rotor RPM, vì phanh cơ học có thể tạo ra lửa bên trong vỏ động cơ nếu sử dụng để dừng tua-bin từ tốc độ cao Tải trọng tuabin tăng nếu phanh được ápdụng ở tốc độ RPM Phanh cơ học được điều khiển bởi các hệ thống thủy lực và được kết nối với hộp điều khiển chính

3 Nacell.

Nacell là một vỏ bọc bao gồm tất cả các thành phần tạo ra trong tuabin gió, bao gồm máy phát, hộp số, bộ truyền động và phanh Nacelle: Vỏ Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

3.1 Hộp số

Trong tuabin gió truyền thống, các lưỡi xoắn một trục được nối thông qua hộp số đến máy phát điện Hộp số chuyển đổi tốc độ quay của dao từ 15 đến 20 vòng / phút cho một tuabin lớn, một megawatt vào tốc độ 1.800 vòng / phút nhanh hơn mà máy phát điện cần phát điện Các nhà phân tích từ GlobalData ước tính rằng thị trường hộp số tăng từ 3,2 tỷ đô

Trang 24

la năm 2006 lên 6,9 tỷ đô la trong năm 2011, và tới 8,1 tỷ đô la vào năm 2020 Các nhà lãnh đạo thị trường là Winergy vào năm 2011 Việc sử dụng các hộp số từ cũng đã được khám phá như một cách để giảm chi phí bảo trì tuabin gió

3.2 Máy phát điện.

Hộp số, trục rotor và phanh được lắp ráp với nhauĐối với các tuabin gió trục ngang lớn, kích thướcthương mại, máy phát điện được lắp vào một vỏ bọc ởđầu tháp, phía sau trục của rotor tuabin Thông thườngcác tua-bin gió tạo ra điện qua các máy không đồng bộnối trực tiếp với lưới điện Thông thường tốc độ quaycủa tuabin gió chậm hơn tốc độ quay vòng tươngđương của mạng lưới điện: tốc độ quay điển hình chomáy phát gió là 5-20 rpm trong khi máy kết nối trựctiếp sẽ có tốc độ điện từ 750 đến 3600 vòng / phút Vì vậy, một hộp số được chèn giữa trung tâm rotor và máy phát điện Điều này cũng làm giảm chi phí máy phát và trọng lượng Máy phát kích cỡ thương mại có một cánh quạt mang một trường quanh co để từ trường quay được sản xuất bên trong một tập hợp cuộn dây được gọi là stator Trong khi lĩnh vực luân phiên uốn tiêu thụ một phần của một phần trăm của sản lượng máy phát, điều chỉnh trường cho phép điều khiển tốt điện áp ra của máy phát điện

Các máy phát điện gió kiểu cũ hơn xoay theo tốc độ không đổi, để phù hợp với tần số đường dây điện, cho phép sử dụng máy phát điện cảm ứng ít tốn kém hơn Các tuabin gió mới hơn thường quay đầu bất cứ tốc độ nào tạo ra điện hiệu quả nhất Tần số đầu ra khác nhau và điện áp có thể được kết hợp với các giá trị cố định của lưới điện sử dụng nhiều côngnghệ như máy phát điện cảm ứng kép hoặc bộ chuyển đổi hiệu ứng đầy đủ, nơi biến tần số hiện tại được chuyển thành DC (một chiều) và sau đó trở lại AC (xoay chiều) Mặc dù các phương án thay thế này đòi hỏi thiết bị tốn kém và gây mất điện, tuabin có thể chiếm được một phần lớn hơn đáng kể năng lượng gió Trong một số trường hợp, đặc biệt là khi các tuabin được bố trí ở ngoài khơi, năng lượng DC sẽ được truyền từ tuabin tới một bộ biến đổi trung tâm (trên bờ) để kết nối với lưới điện

Trang 25

3.3 Tuabin gió không hộp số.

Các tua-bin gió không bánh lái (còn gọi là tua bin trực tiếp) sẽ không cần đến Thay vào

đó, trục rotor được gắn trực tiếp vào máy phát, quay với tốc độ như cánh quạt Enercon và EWT (trước đây gọi là Lagerwey) đã sản xuất tuabin gió không tải bằng máy phát điện kích thích riêng biệt trong nhiều năm, và Siemens sản xuất mô hình "mô hình 3 MW" không tải bánh răng trong khi phát triển mô hình 6 MW Để tạo tốc độ kéo máy phát trực tiếp, tốc độ quay của rotor máy phát được tăng lên để có thể chứa nhiều nam châm hơn để tạo ra tần số

và điện áp yêu cầu

Các tua-bin gió không bánh răng thường nặng hơn tuabin gió dựa trên bánh răng Một nghiên cứu của EU gọi là "Reliawind" dựa trên kích cỡ mẫu lớn nhất của tuabin đã cho thấy

độ tin cậy của hộp số không phải là vấn đề chính trong tuabin gió Độ tin cậy của tua bin trực tiếp ra nước ngoài vẫn chưa được biết, vì cỡ mẫu quá nhỏ

Các chuyên gia từ Đại học Kỹ thuật Đan Mạch ước tính rằng một máy phát điện có gắn nam châm vĩnh cửu có thể sử dụng 25 kg / MW Neodymium, trong khi không hộp số có thể

sử dụng 250 kg / MW

Vào tháng 12 năm 2011, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đưa ra báo cáo về sự thiếu hụt nghiêm trọng các nguyên tố đất hiếm như neodymium được sử dụng với số lượng lớn cho nam châm vĩnh cửu trong các tuabin gió không bánh Trung Quốc sản xuất hơn 95% các nguyên tố đất hiếm, trong khi Hitachi nắm giữ hơn 600 bằng sáng chế bao gồm nam châm Neodymium Các tuabin dẫn động trực tiếp đòi hỏi 600 kg vật liệu nam châm vĩnh cửu trên mỗi megawatt, nghĩa là vài trăm kg hàm lượng đất hiếm trên mỗi megawat, vì hàm lượng neodymium ước tính là 31% trọng lượng nam châm Hệ thống xe lai tạp (trung gian giữa ổ đĩa trực tiếp và truyền thống) sử dụng ít vật liệu đất hiếm ít hơn đáng kể Trong khi các tuabin gió nam châm vĩnh cửu chỉ chiếm khoảng 5% thị trường bên ngoài Trung Quốc, thị phần của họ ở Trung Quốc được ước tính là 25% hoặc cao hơn Trong năm 2011, nhu cầu neodymium trong tuabin gió ước tính bằng 1/5 trong xe điện

Định dạng
Số trang	51
Dung lượng	1,03 MB