Hướng dẫn thí nghiệm các nguồn năng lượng thay thế

Điện năng có đơn vị là kWh và được tính bằng công suất nhân với các khoảng thời gian hệ số phụ tải của máy đã được tính đến khi xu hướng biến đổi tốc độ gió theo thời gian đã biết.. Vì v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

ThS HỒ NGỌC DUNG ( Chủ biên ) – ThS HỒ SỸ MÃO

HƯỚNG DẪN

THÍ NGHIỆM CÁC NGUỒN

NĂNG LƯỢNG THAY THẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

ThS HỒ NGỌC DUNG ( Chủ biên ) – ThS HỒ SỸ MÃO

HƯỚNG DẪN

THÍ NGHIỆM CÁC NGUỒN

NĂNG LƯỢNG THAY THẾ

LỜI NÓI ĐẦU

Cuốn “Hướng dẫn thí nghiệm các nguồn năng lượng thay thế” được xuất bản nhằm phục vụ giảng dạy môn học Thí nghiệm các nguồn năng lượng thay thế và được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các môn học thuộc lĩnh vực năng lượng tái tạo

Cấu trúc cuốn sách gồm 6 chương, được chia làm 2 phần với nội dung được trình bày theo hướng tiếp cận những phương pháp nghiên cứu hiện đại trên thế giới, bao gồm: Phần 1-Năng lượng gió và Phần 2- Năng lượng mặt trời

Cuốn sách do các tác giả ThS Hồ Ngọc Dung, ThS.Hồ Sỹ Mão biên soạn và đã

được thông qua tại bộ môn Thủy điện và năng lượng tái tạo

Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã nhân được sự ủng hộ, góp ý rất thiết thực và

quý báu của TS Nguyễn Viết Ngư giảng viên Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

và các đồng nghiệp trong bộ môn Thủy điện và năng lượng tái tạo

Đây là tài liệu được xuất bản lần đầu nên không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong sự góp ý của bạn đọc để nâng cao chất lượng trong những lần tái bản sau

Các tác giả

MỤC LỤC

1.1 Năng lượng gió và các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng gió 1

1.1.4 Diện tích quét của cánh tuabin gió 7 1.2 Biến đổi động năng của dòng khí thành cơ năng thông qua tuabin gió 7 1.2.1 Các mặt cắt khí động lực: lực nâng và lực cản khí động lực 7 1.2.2 Nguyên lý vận hành roto của tuabin gió 10 1.2.3 Công suất thu được từ tuabin gió 10

1.3.2 Thông số đặc trưng của tuabin gió 14

1.3.4 Đánh giá hiệu suất làm việc của tuabin gió 17

2.1 Tuabin gió WG/EV vận hành ngoài trời 21

2.2 Máy phát phong năng WG/EV vận hành trong nhà 23

3.1 Bài thí nghiệm 1: Đặc tính của công suất đầu ra với tần số của động cơ 31 3.2 Bài thí nghiệm 2: Đo các thông số của gió tại nơi lắp đặt máy phát phong năng 32 3.3 Bài thí nghiệm 3: Đo các thông số dòng điện của máy phát với các thiết bị đo 33 3.4 Bài thí nghiệm 4: Đánh giá các thông số dòng điện của hệ thống khi thay đổi phụ tải

CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 41

4.3.5 Đường đặc tính của pin quang điện 57 4.3.6 Điện năng phát ra từ một hệ thống quang điện 59 4.3.7 Mối quan hệ giữa bề mặt và hiệu suất 60

CHƯƠNG 5 HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN PM/EV

5.6 Thiết bị tích trữ năng lượng (tương tự bộ tuabin gió, mục 2.3.2) 63 5.7 Hệ thống điều phối điện năng của pin quang điện 63

5.8.2 Các thông số kỹ thuật và đường đặc tính của module quang điện 68 5.8.3 Sơ đồ mạch điện của liên kết giữa các tế bào quang điện 68

6.2 Bài thí nghiệm số 2: Đánh giá các thông số dòng điện của hệ thống khi phụ tải thay đổi 75

60 Bảng 5.1 Các kiểu kết nối giữa hai tấm pin 62 Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật của bộ điều tiết Genius 64 Bảng 5.3 Góc nghiêng tối ưu cho panel lắp đặt tại vĩ độ 20°Bắc 65 Bảng 5.4 Các thông số kỹ thuật của pin quang điện 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Dao động tức thời của tốc độ gió 2 Hình 1.2 Giới thiệu biểu đồ tốc độ gió gần mặt đất (dòng lớp biên) 2

Hình 1.4 Công suất của tuabin gió tăng theo độ cao 3 Hình 1.5 Đường tấn suất điển hình và đường phân bố Weibull tương ứng thể hiện tần suất (%) của một vận tốc gió nào đó trong một khoảng thời gian đã biết (ví dụ 1 năm) 5 Hình 1.6 Phân bố tốc độ gió trung bình và xu hướng biến đổi theo thời gian 5 Hình 1.7 Đường phân bố lũy tích Weibull 6 Hình 1.8 Mật độ khí với độ cao và nhiệt độ 6 Hình 1.9 Kích thước hình học của máy phát dùng trong thí nghiệm WG/EV 7 Hình 1.10 Tác động động lực học của một dòng khí lên mặt cắt cánh: 8 Hình 1.11 Đặc trưng hình học của mặt cắt khí động học 8 Hình 1.12 Hệ số áp lực theo lý thuyết trên mặt lồi và trên mặt đáy cánh (nét đứt) cho dạng mặt cắt NACA 6210 (a) và 6410 (b) ; cả hai trường hợp dùng  = 0,740 9 Hình 1.13 Hệ số nâng Cs và hế số cản CR của mặt cắt đối xứng seri NACA 9 Hình 1.14 Sự hình thành chuyển động của tuabin gió 10 Hình 1.15 Phân bố vận tốc và áp lực gần bản cánh của cối xay gió 10 Hình 1.16 Ống dòng của thuyết động lượng Betz 11 Hình 1.17 Biểu đồ áp lực và vận tốc của dòng khí đi qua tuabin gió trục ngang 11 Hình 1.18 Hệ số công suất của một vài tuabin gió theo tỷ số tốc độ ở chu vi với tốc độ gió

13 Hình 1.19 Máy phát điện gió trục ngang 14 Hình 1.20 Các hình dạng của tuabin gió trục ngang 15 Hình 1.21 Lệch hướng của tuabin gió trục ngang 16

Hình 1.23 Đường đặc tính công suất của tuabin gió 17 Hình 1.24 Điện năng trung bình năm thực tế của các tuabin loại nhỏ 18 Hình 1.25 Các đường đặc tính công suất và điện năng hàng tháng của tuabin gió mô hình

Hình 1.26 Điện năng trung bình năm của một tuabin gió 20 Hình 1.27 Đường cong đánh giá AEO của một tuabin gió cỡ nhỏ Bergey 850 20

Hình 2.1 Mô hình thí nghiệm WG/EV 21 Hình 2.2 Vị trí của cột chống của tuabin gió 22 Hình 2.4 Vị trí đúng của tuabin gió đặt trên trụ 1,5 m 22 Hình 2.3 Khoảng cách cần thiết khi quay 22

Hình 2.6 Hệ thống máy phát phong năng vận hành trong nhà, mod.WG-I/EV 24 Hình 2.7 Điều khiển biến tần từ thiết bị điều khiển bằng tay 24 Hình 2.8 Điều khiển inverter bằng máy tính 26 Hình 2.9 Đường đặc tính công suất đầu ra/tần số cung cấp của động cơ 26 Hình 2.10 - Đường đặc tính công suất đầu ra/tần số cung cấp của động cơ (đường cong số

Hình 2.11 So sánh các đường đặc tính công suất đầu ra với tần số cung cấp 27 Hình 2.12 Chi tiết máy phát điện gió sử dụng trong mô hình thí nghiệm WG/EV 28 Hình 3.1 Đường đặc tính công suất đầu ra / tần số cung cấp của động cơ 31 Hình 3.2 Đường cong công suất đầu ra với số vòng quay của trục 32 Hình 3.3 Đường đặc tính công suất và số vòng quay của tuabin Air X – cung cấp bởi nhà

Hình 4.1 Bức xạ của bức xạ ngoài khí quyển trong năm 41 Hình 4.2 Biểu đồ quan hệ giữa bước sóng và bức xạ mặt trời 41 Hình 4.3 Sự biến đổi bức xạ mặt trời theo hàm của chiều cao 42 Hình 4.4.Bức xạ đơn sắc trên trái đất khi mặt trời ở thiên đỉnh (m = 1) và ở nơi không khí

Hình 4.5 Biểu đồ phân bố quang phổ của bức xạ mặt trời trên mặt đất với các điều kiện không khí khác nhau a) Trời quang đãng, b) Trời có mây và độ ẩm cao 43 Hình 4.6 Ảnh hưởng của vĩ độ tới giá trị của bức xạ mặt trời trực tiếp 44 Hình 4.7 Sự thay đổi giá trị góc lệch trong năm 44 Hình 4.8 Sự thay đổi theo mùa của giá trị mật độ năng lượng bình quân bức xạ trên mặt đất theo mặt phẳng ngang với các vĩ độ khác nhau 45 Hình 4.9 Mật độ năng lượng bình quân tháng của bức xạ mặt trời 45 Hình 4.10 Tọa độ của mặt trời ảnh hưởng bởi vị trí quan trắc ở trên mặt đất (điểm C) 46 Hình 4.11 Góc định hướng vị trí của bề mặt và mặt trời 48 Hình 4.12 Năng lượng bình quân ngày trên bề mặt với các góc nghiêng khác nhau 49 Hình 4.13 Mạng tinh thể silic và vùng hóa trị và vùng dẫn 50

Hình 4.14 Sơ đồ mạng tinh thể Silic loại P và N 51

Hình 4.16 Các thành phần chính của một tấm pin mặt trời 53 Hình 4.17 Sự tương tác khác nhau của các photon với pin mặt trời với lớp chuyển tiếp P-N

53 Hình 4.18 Đường đặc tính điện áp - dòng điện của lớp chuyển tiếp P-N 54 Hình 4.19 mô tả mạch điện tương đương của một tế bào quang điện 54 Hình 4.20 Module, panel, trường quang điện 55 Hình 4.21 Sơ đồ song song đấu nối các chuỗi panel 56 Hình 4.22 Đường đặc tính I ~ V và P ~ V của một module quang điện 57 Hình 4.23 Đường đặc tính dòng điện -điện áp của pin silic quang điện với sự thay đổi về bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin (tế bào) quang điện 58 Hình 4.24 đường đặc tính I ~ V của pin siclic với các giá trị bức xạ mặt trời khác nhau59 Hình 4.25 Đường đặc tính của một module (A), của hai module nối tiếp nhau (B), của hai module mắc song song (C) và của hai cặp module mắc nối tiếp - song song (D) 59 Hình 5.1 Các bộ phận chính của bộ thí nghiệm PM/EV 62

Hình 5.3 Sơ đồ mạch điện khi nghiên cứu đặc tính của các tấm pin 63 Hình 5.4 Sơ đồ lắp đặt bộ điều tiết điện 64 Hình 5.5 Hệ thống quay quanh trục ngang một góc tự do 65 Hình 5.6a - Bức xạ lên tấm pin trong tháng 1 với góc β = 19° và 41° 66 Hình 5.6b Bức xạ lên tấm pin trong tháng 7 với góc β = 19° và 41° 66 Hình 5.7 Hệ thống quay quanh trục quay 66 Hình 5.8a các tấm pin quay với góc β = 19°, với trường hợp sử dụng và không sử dụng

Hình 5.8b Các tấm pin quay với góc β = 19° trong tháng 7, có sử dụng và không sử dụng

Hình 5.9 Sự gia tăng cường độ bức xạ mặt trời lên một tấm pin quang điện khi sử dụng thiết bị theo dõi mặt trời trong tháng Sáu 67 Hình 5.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển thiết bị theo dõi mặt trời 68 Hình 5.11 Đường đặc tính của tấm pin quang điện 69 Hình 5.12 Sơ đồ mạch điện của sự liên kết giữa các tế bào quang điện 69 Hình 6.1 Đường đặc tính I - V của tấm pin dưới 72

Hình 6.2 Đường đặc tính I - V của hai tấm pin mắc nối tiếp 73 Hình 6.3 Đường đặc tính I-V của hai tấm pin mắc song song 74 Hình 6.4 Đường đặc tính P-V của tấm pin bên dưới 75

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ptot W Tổng năng lượng gió

Vi m/s Vận tốc của luồng gió

V0 m/s Vận tốc gió ở độ cao ban đầu

V m/s Vận tốc gió ở độ cao lắp đặt tuabin

Ho m Độ cao ban đầu

CP Hệ số công suất

Cpmax Hệ số công suất thực tế lớn nhất

E kWh Điện năng trung bình năm

AEO kWh Điện năng trung bình năm

Ib0 W/m2 bức xạ trực tiếp tức thời lên mặt phẳng ngang

Gb W/m2 bức xạ trực tiếp vuông góc lên mặt nghiêng

PHẦN 1 NĂNG LƯỢNG GIÓ CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH TUABIN GIÓ 1.1 Năng lượng gió và các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng gió

Sự phát triển đáng kể về nhu cầu sử dụng năng lượng cùng với sự cần thiết giới hạn ảnh hưởng tiêu cực của việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống đến môi trường đã khuyến khích sự quan tâm vào các nguồn năng lượng sạch, đặc biệt thông qua việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Năng lượng gió là một nguồn năng lượng ưu việt được đánh giá có thể tái tạo Các đặc tính không khí thải và năng lượng có chi phí thấp là lý do chính cho sự gia tăng theo cấp lũy thừa việc sử dụng nguồn năng lượng này

1.1.1 Năng lượng của luồng gió

Tổng năng lượng có thể khai thác trong một luồng gió bằng động năng, được xác định theo công thức:

2

2

*

i tot

V m

Trong đó: Ptot - tổng năng lượng gió,W; Vi - vận tốc của luồng gió, m/s; m* - thông lượng không khí, kg/s Xác định theo công thức:

i AV

bị sẽ là tiền đề cần thiết cho việc tính toán điện năng thu được từ việc chuyển đổi động năng của luông gió thông qua tuabin gió

1.1.2 Tốc độ gió

Tốc độ gió không chỉ thay đổi từ nơi này sang nơi khác mà còn biến đổi đáng kể theo thời gian tại cùng một vị trí bởi vì tốc độ gió phụ thuộc vào dạng gồ ghề và độ cao so với mặt đất Do đó các thông số cần thiết cho việc xác định kích cỡ của một tuabin gió, bao gồm: vận tốc gió trung bình (hàng ngày và hàng năm), vận tốc tức thời, mức độ nhiễu loạn

và hướng gió chủ đạo Những thông số đặc trưng cơ bản này phụ thuộc địa điểm được xem xét lắp đặt và chỉ có thể thu thập được sau vài năm tiến hành khảo sát và đo đạc

1.1.2.1 Ảnh hưởng của độ cao lắp đặt và độ gồ ghề của bề mặt

Trong thực tế, vận tốc gió cục bộ biến đổi đáng kể theo thời gian (hình 1.1) Vận tốc trung bình Vm được xác định trong một khoảng thời gian cho trước, khi thêm một giá trị chênh lệch vân tốc ν vào giá trị trung bình Vm thì sẽ được vận tốc tức thời V Vận tốc gió

tại mặt đất bằng 0 (do ma sát giữa không khí và mặt đất), càng lên cao vận tốc gió càng tăng, thông thường tăng cho đến độ cao 2 km Từ độ cao này trở lên độ dốc của biểu đồ tốc

độ gió sẽ bằng 0 (hình 1.2) Sự biến đổi tốc độ gió thường được biểu diễn qua hàm số mũ như sau:

(V/V0)=(H/H0) (1.4) Trong đó: V0 - vận tốc gió ở độ cao ban đầu, m/s; V - vận tốc gió ở độ cao cần tính, m/s;

Ho- độ cao ban đầu, m; H - độ cao cần tính tốc độ gió, m; α - hệ số mấp mô

Hình 1.1 Dao động tức thời của tốc độ gió Hình 1.2 Giới thiệu biểu đồ tốc độ gió

gần mặt đất (dòng lớp biên)

Hệ số mấp mô thể hiện đặc điểm hình dáng của bề mặt: mức độ mấp mô càng lớn (ví dụ

có nhiều cây cối) thì hệ số mấp mô sẽ càng tăng Hệ số này có thể giảm xuống đến giá trị 0,1 khi mặt đất bằng phẳng, ngược lại có thể đạt tới giá trị 0,25 khi mặt đất khá mấp mô (bảng 1.1) Chú ý rằng các chướng ngại vật như các tòa nhà, cây cối và các yếu tố tự nhiên khác có thể quyết định đến việc tính toán công suất của máy phát tuabin gió Trên thực tế, các chướng ngại vật đều gây bất lợi đến vận tốc gió và càng lên cao thì tốc độ gió trung bình cũng tăng theo

Vì độ cao lắp đặt tuabin gió có ảnh hưởng đến tốc độ gió, nên các nhà sản xuất tuabin gió phải chỉ rõ độ cao cho phép lắp đặt Dữ liệu độ cao này được ghi trên bảng thông số hoặc bảng chỉ dẫn của thiết bị Nếu độ cao lắp đặt không được chỉ rõ thì sử dụng độ cao chuẩn

là 10m tính từ mặt đất Hình 1.3 và 1.4 thể hiện mức tăng tốc độ gió và công suất phát ra từ máy phát điện gió theo độ cao

Để minh họa tầm quan trọng của độ cao lắp đặt tuabin, chúng ta xét một ví dụ sau đây Giả sử sẽ lắp đặt tuabin gió ở một thảm cỏ có hệ số mấp mô là 0,14 Nếu độ cao lắp đặt gấp đôi độ cao ban đầu thì tốc độ gió tại vị trí lắp đặt tăng lên 10%

V = (H/Ho)αVo = (2/1)0.14Vo = 1.1Vo

Độ cao chênh lệch gấp đôi cũng sẽ dẫn tới công suất tăng 34%

P = (H/Ho)3αPo = (2/1)3x0.14Po = 1.34Po Những nghiên cứu này chỉ ra rằng điện năng sản xuất ra chỉ có thể đạt tối ưu khi các tuabin gió được lắp đặt tại các địa điểm chính xác

Hình 1.3 Tốc độ gió tăng theo độ cao

Hình 1.4 Công suất của tuabin gió tăng theo độ cao 1.1.2.2 Sự phân bố tần suất của tốc độ gió

Tần suất phân bố tốc độ gió theo thời gian (tháng hoặc năm) rất quan trọng để đánh giá năng lượng được sinh ra từ tuabin gió Điện năng thu được có thể được trữ vào pin, ắc

quy, dùng trực tiếp cho các hộ dùng điện độc lập hoặc kết nối lưới điện Điện năng có đơn

vị là kWh và được tính bằng công suất nhân với các khoảng thời gian (hệ số phụ tải của máy đã được tính đến) khi xu hướng biến đổi tốc độ gió theo thời gian đã biết Chú ý rằng việc sử dụng tốc độ gió trung bình có thể dẫn đến các kết quả không phù hợp với giá trị thực Khi tốc độ như nhau tại các thời đoạn ngắn có tốc độ cao sẽ làm tăng sản lượng điện hàng năm lên đáng kể, điều này cũng tương tự với các thời đoạn dài hơn nhưng có vận tốc nhỏ hơn

Như đã biết trung bình lũy thừa bậc ba của một dải phân bố tốc độ nào đó luôn cao hơn lũy thừa bậc ba giá trị trung bình của cùng dải phân bố tốc độ đó Vì vậy, trên thực tế

tốc độ gió trung bình được cân đối theo hệ số mô hình năng lượng EPF (Energy Pattern

Factor) khi tính toán công suất sinh ra từ gió, từ đó đánh giá năng lượng có thể thu được

trong một thời gian xác định Hệ số mô hình năng lượng EPF chính là tỷ số giữa trung

bình lũy thừa ba các giá trị vận tốc của một dải phân bố được xét với lũy thừa ba giá trị trung bình của các vận tốc đó:

3

1

1 3

n i i

V n

V n

Nếu giá trị vận tốc trung bình trong khoảng thời gian nào đó đã biết V , thì từ công thức (1.3) có công thức mật độ công suất của gió:

EPF V

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của phân phối tần suất khác nhau của tốc độ gió đối với các địa

điểm có cùng vận tốc trung bình

Địa điểm

Vận tốc gió trung bình hàng năm (m/s)

Vận tốc gió trung bình hàng năm (mph)

Mật độ năng lượng gió (W/m2)

EPF (hệ số mấu năng lượng hay

hệ số lũy thừa ba)

Tiana Beach, New York 6,3 14 285 1,9 San Giorgio, California 6,3 14 365 2,4

Hình 1.5 Đường tấn suất điển hình và đường phân bố Weibull tương ứng thể hiện tần suất

(%) của một vận tốc gió nào đó trong một khoảng thời gian đã biết (ví dụ 1 năm)

Hình 1.5 biểu diễn một đường tần suất điển hình liên quan đến sự phân bố tần suất của tốc

độ gió Đường tần suất này thể hiện tần suất (dựa trên số liệu quan trắc trong một vài năm)

mà một vận tốc xác định có thể đạt được, vận tốc này bao gồm V và V+V (V=1 m/s như hình vẽ trên) Ví dụ, tần suất gió có thể đạt được tốc độ trong phạm vi từ 4,5 đến 5,5 m/s bằng 0,104 tương ứng với khoảng thời gian 0,104x8760 = 910 giờ trong một năm bởi vì

đường tần suất được xét trong khoảng thời gian một năm Các biểu đồ tương tự của đường

phân bố tần suất có thể theo biểu diễn theo thời gian là hàng năm, theo mùa hoặc theo

tháng (hình 1.6) Đường phân bố Weibull (hình 1.5) mô tả sự phân bố tần suất, trong đó phần diện tích bên dưới đường cong luôn bằng 1 hay tổng phần trăm của các tần suất tương

ứng cho mỗi giá trị vận tốc trong thời đoạn xem xét sẽ bằng 100% Ngoài ra “đường phân

bố tần suất lũy tích” (hình 1.7) được dùng để xác định số giờ/năm khi một tốc độ nào đó

bị vượt quá

Hình 1.6 Phân bố tốc độ gió trung bình và xu hướng biến đổi theo thời gian

(Thành phố Florence)

Hình 1.7 Đường phân bố lũy tích Weibull

Phân bố tần suất của tốc gió thay đổi từ nơi này đến nơi khác trên toàn thế giới vì nó phụ thuộc vào điều kiện khí hậu từng vùng, vào điều kiện tự nhiên môi trường và cả hình dạng mặt đất Vì vậy phân bố Weibull cũng thay đổi cả hình dạng (vì hệ số EPF của đường phân bố thay đổi) và cả giá trị trung bình Do đó, các nhà sản xuất tuabin gió thường tham chiếu hiệu suất sản phẩm theo đường phân bố tần suất Weibull Ngoài ra, họ cũng sử dụng các dữ liệu thu thập tại các trạm thời tiết khác nhau của vùng để xác định xu hướng phân

bố tốc độ gió cho các địa điểm khác nhau trên thế giới Khi các số liệu không chính xác thì tham khảo đường phân bố tốc độ của Weibull

Vì công suất gió thay đổi theo lũy thừa bậc ba của tốc độ gió nên khi tốc độ tăng một lượng tương đối nhỏ sẽ dẫn đến công suất tăng đáng kể.Ví dụ tốc độ gió tăng 20% thì công suất tăng trên 70% : P2/P1 = (V2/V1)3 = (1,2)3 = 1,73 Đây là lý do vì sao phải rất thận trọng chọn vị trí chính xác của tuabin gió để đạt được việc lắp ráp tối ưu cánh quạt của tuabin phù hợp với gió Như vậy việc lựa chọn địa điểm phù hợp nhất để lắp đặt máy phát phong năng, đặc biệt trong trường hợp máy phát có công suất lớn sẽ phụ thuộc vào việc đánh giá mức độ tình trạng gió hàng năm của địa điểm Thông qua thiết bị giám sát cho phép ước lượng năng lượng của hệ thống

1.1.3 Mật độ không khí

Công suất gió phụ thuộc vào mật độ khí, giá trị mật độ không khí thay đổi theo nhiệt

độ (không khí nóng có mật độ khí loãng hơn không khí lạnh) và độ cao Hình 1.8 chỉ ra các giá trị khác nhau của mật độ khí khi độ cao và nhiệt độ thay đổi

Hình 1.8 Mật độ khí với độ cao và nhiệt độ

Trong trường hợp tốc độ như nhau, năng lượng phát ra từ tuabin gió trong mùa hè sẽ thấp hơn với năng lượng phát ra trong mùa đông Những thay đổi về mật độ không khí với các điều kiện tiêu chuẩn, tính theo mực nước biển, có thể làm giảm công suất của máy phát điện năng lượng gió từ 10% đến 20%

Ptot = 0,6125 A V3 (W) (1.1’)

1.1.4 Diện tích quét của cánh tuabin gió

Một thông số ảnh hưởng đến công suất của tuabin gió đó là diện tích quét của cánh tuabin gió - diện tích chắn gió Thông số này phụ thuộc vào hướng gió Diện tích quét có thể tính theo công thức:

A =  R2 (m2) (1.7) Trong đó: R - bán kính roto (m), xấp xỉ bằng chiều dài cánh của tuabin gió

Nếu đường kính của roto tăng một lượng tương đối nhỏ cũng làm tăng đáng kể diện tích quét cũng như công suất như sau:

A2 = A1(R2/R1)2 (1.8)

Ví dụ: Máy phát sử dùng trong thí nghiệm WG/EV có đường kính roto là 1,17 m (hình 1.9) với diện tích quét: A = 3,14x1,172

/4 = 1,07 m2

Hình 1.9 Kích thước hình học của máy phát dùng trong thí nghiệm WG/EV

1.2 Biến đổi động năng của dòng khí thành cơ năng thông qua tuabin gió

Bề mặt cánh tuabin có luồng gió thổi qua chịu tác dụng của một lực tổng hợp gồm hai

thành phần: lực nâng khí động lực vuông góc với hướng gió và lực cản khí động lực song

song với hướng gió Hai thành phần lực này phụ thuộc vào dạng cánh tuabin, các hệ số khác và phụ thuộc vào góc khi dòng khí thổi vào cánh ứng với mỗi dạng biên cánh tuabin Lực nâng khí động lực của máy phát phong năng tạo ra lực làm quay các cánh của tuabin đồng thời cũng cân bằng với lực sinh ra từ lực cản của không khí

1.2.1 Các mặt cắt khí động lực: lực nâng và lực cản khí động lực

Thông số đặc trưng cho của một mặt cắt khí động lực: dây cung l, độ dày lớn nhất s, tung độ của đường trung tuyến y A và hoành độ của đường trung tuyến x A, góc nâng của đường tiếp tuyến với biên trước i và biên sau u của đường trung tuyến, góc tới góc giữa hướng vận tốc dòng khí v0 và dây cung - góc dương khi ngược chiều kim đồng hồ (hình 1.10 và hình 1.11)

Hình 1.10 Tác động động lực học của một dòng khí lên mặt cắt cánh:

DPN = hướng lực nâng khí động lực bằng 0

Khi dòng khí bắt đầu chuyển động qua bề mặt lồi của mặt cắt, tại vị trí gần biên sau u

xuất hiện điểm rẽ dòng như phía trên hình 1.10 Luồng khí tiếp tục lưu thông xung quanh mặt cắt cánh Do góc tới  và độ cong của đường trung tuyến nên điểm rẽ dòng tiếp theo

sẽ bị thay đổi vị trí, cho tới khi trùng với vị trí tại biên sau u

Áp lực sinh ra do sự thay đổi vận tốc dòng

khí khi di chuyển trên mặt lồi và mặt đáy

mặt cắt cánh có thể biểu diễn qua hệ số áp

lực CP không thứ nguyên như sau:

2

2 0

o

P

v

p p C







Trong đó: p - áp lực của điểm đang xét

trên mặt cắt; p0 - áp lực của dòng liên tục;

v0 -vận tốc của dòng liên tục

Áp dụng phương trình Becnuli:

const gz

v

v C

Trong đó: v - vận tốc của dòng khí tại điểm trên mặt cắt

Hệ số áp lực phụ thuộc vào mặt cắt hình học của cánh và phụ thuộc vào góc tới Hình 1.12a và 1.12b biểu diễn xu hướng của hệ số áp lực trên mặt lồi và mặt đáy mặt cắt cánh NACA 6210 và 6410 (tính toán theo lý thuyết)

Hình 1.12 Hệ số áp lực theo lý thuyết trên mặt lồi và trên mặt đáy cánh (nét đứt) cho

Hợp lực của các áp lực theo hướng vuông góc với vo là lực nâng khí động lực S Hệ số

áp lực Cp trong hình 1.12 có chút khác biệt với các giá trị thực tế: áp lực này thấp hơn áp lực tại điểm rẽ dòng Dòng khí tại lớp biên làm xuất hiện một hố xoáy trên biên sau, do đó

hệ số áp lực sẽ có giá trị nhỏ hơn 1 (trung bình nằm trong khoảng 0,15-0,25) tại điểm đó Trong trường hợp này, sơ đồ áp lực cũng xuất hiện thành phần R theo hướng của vận tốc

khác 0 được gọi là lực cản Nói chung, trong các điều kiện tốt nhất, tỷ số lực nâng khí

động lực S với lực cản khí động lực R nằm trong khoảng (70-100)% Tổng hợp lực F của

S và R đặt tại tâm của áp lực, điểm này là hàm của góc tới 

Tác động lực học dòng khí lên cánh có thể biểu diễn thông qua hệ số không thứ nguyên và được tính trên một đơn vị chiều rộng của cánh :

l

v C

N/m; l -chiều dài của dây cung, m; CS -

hệ số nâng; CR - hệ số cản

Lực S sẽ bằng không khi dòng khí

chuyển động theo hướng DPN - hướng

lực nâng bằng 0 được ký hiệu là 0 - góc

của lực nâng bằng 0 (xem hình 1.10) ;

góc âm được quy ước như đã nói ở trên

Hình 1.13 đưa ra ví dụ về các hệ số lực

nâng và lực cản cho hai dạng mặt cắt đối

xứng của seri NACA

Những điều giải thích trong thuyết lực

Hình 1.13 Hệ số nâng C s và hế số cản C R của

mặt cắt đối xứng seri NACA

nâng khí động lực của mặt cắt cánh cũng có thể áp dụng cho roto của các máy phát phong năng có số cánh khác nhau : 1 cánh (cánh đơn), 2 cánh, 3 cánh, trên 3 cánh

1.2.2 Nguyên lý vận hành roto của tuabin gió

Khi tính toán công thực tế truyền lên trục cần xét tới chuyển động quanh quanh trục của tập hợp cánh tuabin Do vậy khi tính toán lực nâng S và lực cản R cho từng phần riêng

biệt của cánh, phải xác định vận tốc tương đối của dòng khí tương ứng tại mặt cắt đó w, vận tốc tuyệt đối của dòng khí v và vận tốc quay u:

Lực gây chuyển động Fu trên một đơn vị chiều dài dây

cung chiều dài bằng (hình 1.14) :

0

' (W)

Hình 1.14 Sự hình thành chuyển

động của tuabin gió

Trong đó: Tích phân được tính trên toàn bộ chiều dài cánh (từ 0 đến R)

1.2.3 Công suất thu đƣợc từ tuabin gió

Phân tích định tính áp lực và tốc độ của dòng

khí thổi đến tuabin gió thể hiện ở hình 1.15 được

xây dựng dựa trên các giả thiết sau:

1 Chuyển động một chiều

2 Dòng khí ổn định, đều

3 Không có cản trở dòng khí phía trước và phía

sau bản

4 Tốc độ đều tại mặt quét

5 Không có sự tương tác giữa dòng khí chảy thẳng

vào roto và dòng khí bao quanh

6 Dòng khí không bị nén

7 Không có chuyển động quay của roto tác động

lên lưu chất

Rotor được coi là một tấm tròn với vô số cánh

mỏng, không chịu tác động của lực cản Tốc độ đầu

mút cánh lớn hơn rất nhiều tốc độ gió khi áp suất

Hình 1.15 Phân bố vận tốc và áp

lực gần bản cánh của cối xay gió

giảm đột ngột

Khi luồng khí di chuyển tới roto có vận tốc đều Vo và áp lực tĩnh ban đầu Po (áp lực biên), roto sẽ thu một phần năng lượng làm giảm tốc độ của dòng khí và điều này dẫn tới việc mở rộng dòng khí sau rotor Nếu độ giảm vận tốc do roto gây ra là v thì tốc độ trên bê mặt quét của rotor sẽ là V0 – v = u Khi đó vận tốc gió sẽ giảm mạnh xuống giá trị là u1 khi đi qua rotor và áp lực sẽ bằng đúng áp suất khí quyển

1.2.3.1 Công suất có thể khai thác lớn nhất (Giới hạn Betz)

Xét một dòng khí thổi qua tuabin gió trục ngang có độ dày cánh a-b, dòng khí qua tuabin có dạng ống Áp lực và tốc độ gió phía trước tuabin là Pi và Vi, áp lực và tốc độ gió phái sau tuabin là Pe và Ve Vận tốc Ve nhỏ hơn Vi vì một phần động năng của dòng khí được truyền cho tuabin (hình 1.16)

Hình 1.16 Ống dòng của thuyết động lượng

Betz

Hình 1.17 Biểu đồ áp lực và vận tốc của

dòng khí đi qua tuabin gió trục ngang

Giả thiết rằng mật độ khí là hằng số, không có biển đổi năng lượng, không có sự chuyển đổi hoặc hấp thu công và nhiệt trong dòng khí giữa mặt cắt a và i (hình 1.17) Phương trình bảo toàn năng lượng có thể viết như sau:

22

2 2

a a i i

V P

V

Tương tự, cho vùng nằm giữa mặt cắt b-e:

22

2 2

b b a e

V P

V

Tốc độ gió đi qua tuabin giảm dần từ a đến b bởi vì một phần động năng của gió được chuyển đổi thành công Tốc độ gió giảm đều từ giá trị Vi → Va →Vb →Ve Vì Vi>Va và

Vb>Ve nên Pa > Pi và Pb < Pe Nghĩa là, áp lực gió tăng lên khi đến gần động cơ và ngay

cả khi đã đi qua động cơ.Kết hợp phương trình (1.9) và (1.10 ):

)2(

)2(

2 2 2

2

b e e a i i b a

V V P V

V P P

Vì chiều rộng của cánh a-b rất nhỏ so với khoảng cách luồng khí đang được xét và tốc độ gió thổi qua roto V có thể coi là hằng số Ta có kết quả sau: t

V t V a V b (1.13) Kết hợp công thức (1.11), (1.12) và (1.13) được:

)2(

2 2

e i b

a

V V P

(

2 2

e i b

a x

V V A A P P

 , công thức là

t AV

Fx tính theo công thức:

)( i e

2

1

e i

Xét toàn bộ hệ thống giữa mặt cắt i và e, biến thiên năng lượng tiềm tàng, cũng như biến thiên nội năng (Ti=Te) và biên thiên năng lượng đẩy (Pi/=Pe/) bằng không Bên cạnh đó, không có bổ sung hay thất thoát nhiệt khỏi hệ thống Từ đó theo định luật bảo toàn năng lượng xác định công (J/kg)

2

2 2

2(

2 2 2

2

*

e i t e

AV V

V m

(4

e i e

V A

Phương trình (1.21) đơn giản hóa thành phương trình (1.3) khi Vt=Vi và Ve=0; nghĩa là khi tốc độ gió dừng lại hoàn toàn phía sau tuabin Tất nhiên, điều này là không thể vì gió không thể tích lũy tại đường thoát từ tuabin

Công suất lớn nhất Pmax có thể nhận được khi vận tốc cửa ra đạt tới giá trị có lợi nhất Ve,opt;

Ve,opt có thể được xác định theo quy trình sau: tính đạo hàm công suất P trong phương trình (1.21) ứng với Ve và Vi bằng 0:

3V e2 2V i V eV i2 0 - (1.22)

Nghiệm dương Ve từ phương trình trên chính là Ve,opt

i opt

P

AV

P P

P C





Do đó hệ số công suất thực tế lớn nhất, tương đương với tỷ số công suất lớn nhất và công

suất có thể khai thác, được tính như sau:

5926.027

162.27

8

max max    

tot P

P

P

Nói cách khác, một tuabin gió có thể chuyển đổi nhiều nhất khoảng 60% tổng công suất

có thể có trong một luồng gió

1.2.3.2 Công suất thực tế

Các cánh của tuabin thường bị

xoắn do tốc độ đầu cánh thay đổi

tốc độ đồng nhất dọc theo toàn bộ

các cánh Tính toán chính xác công

suất do tuabin tạo ra sẽ cho thấy hệ

số công suất thực tế phụ thuộc vào tỷ

số tốc độ đầu cánh (tính toán tại

chỏm của cánh) với tốc độ gió Hệ

số này chỉ đạt 0,6 khi tốc độ đầu

cánh bằng 6-7 vận tốc gió Hình 1.18

cho hệ số công suất của một tuabin

cánh quạt lý tưởng và các tuabin gió

thực tế: hệ số công suất của roto lớn

nhất là (50-70)% công suất lý tưởng

Hình 1.18 Hệ số công suất của một vài tuabin

gió theo tỷ số tốc độ ở chu vi với tốc độ gió

1.3 Giới thiệu tuabin gió

1.3.1 Cấu tạo tuabin gió

Tuabin gió trục ngang, gồm: thân được lắp đặt trên một cột tháp (hoặc bệ đỡ) Thân tuabin gồm có trục chính (tốc độ quay thấp), bộ dẫn động, trục máy phát (tốc độ quay cao), bộ phát điện và các linh kiện phụ khác Roto được gắn phía cuối trục chính và nằm bên ngoài

thân, các cánh quay được gắn với roto nhờ mayơ Roto có thể được lắp theo hướng gió đến hoặc hướng ngược lại

Hình 1.19 Máy phát điện gió trục ngang

Thân tuabin có thể quay xung quanh trục bệ đỡ vì thế trục của máy luôn song song với hướng của gió - đây là lý do tại sao máy phát điện phong năng được gọi là ngang trục Các dây dẫn chính truyền điện năng sinh ra xuống mặt đất và gửi những tín hiệu cần thiết cho vận hành Hình dạng của cánh quạt được thiết kế để dòng khí thổi ngang qua làm quay roto Động năng của gió được chuyển từ roto sang máy phát và được chuyển đổi thành điện năng Máy phát được kết nối với hệ thống điều khiển để có thể kiểm soát điện năng, cũng như kết nối với lưới điện chính

Các tuabin gió này vận hành theo cường độ gió, dưới một vận tốc gió nhất định chúng không thể vận hành và chỉ hoạt động khi gió đạt được vận tốc ngưỡng cho khởi động (khoảng 4-5m/s) Tốc độ gió thiết kế là tốc độ gió thấp nhất mà tuabin gió có thể sinh ra công suất thiết kế (10-12m/s, cho công suất vài trăm kW đối với máy kích cỡ trung bình) Khi tốc độ gió đạt tốc độ cao (20-25m/s), các tuabin dừng hoạt động để đảm bảo an toàn

1.3.2 Thông số đặc trƣng của tuabin gió

Hình 1.20 Các hình dạng của tuabin gió trục ngang

Vật liệu cánh

Hầu hết đối với các tuabin gió cỡ nhỏ cánh dùng vật liệu kết hợp, như sợi thủy tinh (sợi polyeste kết hợp thủy tinh) hoặc sợi cácbon Những vật liệu này phù hợp khi tuabin hoạt động trong điều kiện chịu áp lực cường cao

Hướng

Các tuabin gió cỡ nhỏ không cho phép lắp thêm động cơ xoay đảo hướng hay các bộ phận

cơ khí như loại tuabin cỡ lớn hơn Tuy nhiên, chúng lại được trang bị đuôi dẫn hướng với nhiệm vụ định hướng roto luôn theo hướng của gió Điều này giúp tránh được các hướng nguy hiểm có thể gây ra phá hoại các thành phần cơ khí của kết cấu tuabin

Độ vững chắc

Độ vững chắc của tuabin cỡ nhỏ không thể đánh giá bằng các phương pháp tuyệt đối nhưng nói chung các tuabin nặng hơn thì có độ vững và độ bền cao hơn so với những tuabin nhẹ hơn Do đó các tuabin có trọng lượng lớn hơn có diện tích quét của roto lớn hơn sẽ có tuổi thọ dài hơn

Kiểm soát quá tốc độ: Nói chung, các tuabin có một bộ phận kiểm soát tốc độ quay của

roto trong điều kiện gió mạnh Kiểm soát quá tốc độ là một trong các đặc tính phân biệt các loại tuabin gió Hầu hết các tuabin cực nhỏ sử dụng bản lề đơn vì thế roto sẽ quay theo hướng của đuôi lái định hướng,vì vậy giới hạn ảnh hưởng của gió Trên thực tế, roto sẽ rơi vào vị trí bất lợi trong điều kiện gió mạnh, khi trục của nó không thẳng hàng với hướng của tốc độ gió Một tuabin được lắp đặt các thiết bị giúp chúng quay xung quanh trục thẳng đứng (hình 1.21), một số khác quay quanh trục nằm ngang

Tuabin gió trong thí nghiệm WG/EV sử

dụng các cánh với vật liệu sợi cácbon,

Các tuabin gió cỡ nhỏ được lắp đặt trên

các tháp hoặc giá đỡ có hình dáng riêng

biệt Ví dụ: các tháp ống có dạng lăng trụ

hoăc chóp nón, các tháp néo có thể là ống

hoặc khung sườn Các tháp và giá đỡ cần

có các bản lề để nâng lên và hạ xuống

Ngoài ra, các nhà sản xuất tuabin phải

cung cấp môt vài chỉ dẫn cho kết cấu trụ

đỡ theo hình dạng của sản phẩm được sử

dụng

Bên cạnh đó, việc lắp đặt tuabin trực tiếp

trên mái nhà là một vấn đề tranh luận

Thực tế, cách lắp đạt này rẻ hơn nhưng lại

có những ánh hưởng bất lợi vì sự rung

động do tuabin gió có thể truyền xuống và

Hình 1.21 Lệch hướng của tuabin gió

1.3.3 Đường đặc tính của tuabin gió

Phân tích khả năng làm việc tuabin gió đó là xác định các đặc trưng cơ bản của tuabin và vị trí địa lý nơi lắp đặt tuabin, bao gồm: tốc độ gió và sự phân bố theo thời gian của tốc độ gió, xu hướng tốc độ gió theo độ cao lắp đặt, diện tích quét của cánh tuabin Khả năng làm việc của một tuabin gió được đặc trưng thông qua một đường cong biểu diễn quan hệ giữa công suất với tốc độ gió, gọi là đường đặc tính công suất của tuabin

Khả năng làm việc của một tuabin gió được đánh giá thông qua điện năng có thể khai thác

ở các thời đoạn Hình 1.23 biểu diễn đường cong của tuabin gió lý tưởng Vận tốc khởi

động là vận tốc gió nhỏ nhất mà làm cho động cơ bắt đầu quay Vận tốc đóng mạch là tốc

độ gió nhỏ nhất mà máy phát bắt đầu cung cấp điện năng Thường nó tương ứng với việc

kết nối động cơ với lưới điện chính Vận tốc gió thiết kế là tốc độ nhỏ nhất mà tuabin phát

ra công suất thiết kế (tương ứng với hiệu suất khí động lực của roto là cao nhất) Vận tốc

ngắt mạch là tốc độ mà động cơ không kết nối với lưới điện và kiểm soát quá tốc độ được

cho phép Cuối cùng, vận tốc gió tại giới hạn lực kháng là tốc độ lớn nhất mà động cơ có

thể chịu được mà không có hư hại xảy ra

Hình 1.23 Đường đặc tính công suất của tuabin gió

Đường quan hệ công suất-vận tốc của tuabin gió cho thấy công suất tăng từ vận tốc đóng mạch đến vận tốc thiết kế, sau đó công suất không đổi cho tới vận tốc đóng mạch Hiện tượng này là do sự cần thiết ngăn chặn động cơ điện khỏi quá tải, hoặc tránh lựa chọn tuabin quá cỡ mà khả năng của máy phát này chỉ được khai thác trong thời gian rất ngắn Với tuabin thực, đường cong này thu được thông qua quy tắc cường độ liên tục: sự vận hành này cho phép hầu hết đạt đến công suất thiết kế trong điều kiện thừa gió, sau khi công suất lớn nhất đã đạt đến Khi tốc độ gió đạt giá trị đóng mạch, các cánh bắt đầu ngừng quay

1.3.4 Đánh giá hiệu suất làm việc của tuabin gió

Trong phần này giới thiệu ba phương pháp khác nhau dùng để tính toán tổng công suất mà

có thể thu được từ tuabin gió loại nhỏ

1.3.4.1 Phương pháp diện tích quét

Diện tích quét roto của tuabin gió được định nghĩa là diện tích mà các cánh của roto cắt qua luồng gió khi roto quay quanh trục Phần diện tích này đặc biệt quan trọng trong tính toán định lượng năng lượng mà tuabin gió thu được từ gió và chuyển đến trục truyền động của tuabin Yếu tố quan trọng nữa là tốc độ gió Nếu hoạt động của tuabin trong điều kiện thực tế đã biết thì diện tích quét của roto và tốc độ gió trung bình hàng năm sẽ được dùng

để đánh giá AEO- điện năng trung bình năm thu được

Giả sử lắp đặt tuabin với roto có đường kính là 1,17m ở nơi có vận tốc gió trung bình hàng năm tại độ cao lắp đặt tuabin là 5,4 m/s và phân bố tốc độ gió gần với đường phân bố Weibull-Rayleigh, hệ số mô hình năng lượng EPF là 1,9 Những thông số này đủ để tính toán định lượng năng lượng gió có thể khai thác hàng năm tại nơi mà tuabin được lắp đặt Ngoài ra, cần xét đến hiệu suất của tuabin (40% được xem là cao), hiệu suất truyền tải (khoảng 0,8-0,9 với máy phát nhỏ) và các tổn thất xảy ra do sự đảo hướng của tuabin khi phản ứng với các biến đổi liên tục của hướng gió Từ đó,thu được tổng hiệu suất chuyển đổi khoảng là 30% Những giá trị này chỉ xét với các tuabin cỡ nhỏ, có thể được tăng lên đối với các nhà máy lớn

Trong ví dụ này, năng lượng có thể khai thác được trong 1 năm:

E = 0,61225AV3EPF (số giờ/năm)(1/100)kW/W (kWh/năm) Chính là

 

17251000

1.8760.9,1.4,5.4

17,1.61225,

độ cao, khi vận tốc gió vượt qua giá tri này thì tổng hiệu suất chỉ sấp xỉ 10% Hình 1.24 đưa ra xu hướng năng lượng mà tuabin cỡ nhỏ phát ra trong một năm theo đường kính của roto và nguồn gió

Hình 1.24 Điện năng trung bình năm thực tế của các tuabin loại nhỏ

1.3.4.2 Phương pháp đường cong công suất

Một phương pháp khác để đánh giá hiệu suất của tuabin gió là sử dụng đường đặc tính công suất được do nhà sản xuất tuabin cung cấp, cũng như đường phân bố vận tốc gió tại nơi lắp đặt tuabin Tất cả các đường công suất đều có tốc độ khởi động khi tuabin bắt đầu quay Điện áp phát ra bởi việc quay tuabin hướng tăng dần tới khi đạt điện thế yêu cầu (ví

dụ sạc ắc quy) Lúc này, hệ thống điều khiển sạc ắc quy sẽ nhận dòng điện từ bộ đảo điện

và điện năng cần thiết được sinh ra Tốc độ khởi động hay tốc độ đóng mạch đại diện cho

tốc độ gió mà tại đó máy phát điện bắt đầu cung cấp năng lượng Công suất thiết kế của máy phát được ghi trên bảng công suất, tương ứng với tốc độ gió thiết kế (12,5m/s, với loại tuabin AIR403), tuy nhiên công suất tối đa thường cao hơn Khi đạt được tốc độ nhất định, máy phát bắt đầu điều khiển hoặc giảm năng lượng mà nó đang cung cấp Chẳng hạn, mức giảm này gây ra ra do đuôi lái của tuabin gió cỡ nhỏ Thao tác vận hành giảm năng lượng này giúp định vị rotor sao cho trục của nó vuông góc với hướng gió

Vì vậy, điện năng trung bình năm của tuabin gió được đánh giá trên căn cứ sau:

 đường đặc tính công suất của tuabin do nhà sản xuất cung cấp

 phân bố tần suất tốc độ gió

Hình 1.25 cho biết đường cong công suất và đường cong năng lượng trung bình tháng theo tốc độ gió của tuabin gió Trainer WG/EV

Hình 1.25 Các đường đặc tính công suất và điện năng hàng tháng của tuabin gió mô hình

AIR403

Hình 1.26 cho biết điện năng trung bình năm của một tuabin gió cỡ nhỏ với đường đặc tính công suất và phân bố tần suất tốc độ gió tại địa điểm lắp đặt đã biết (tốc độ trung bình 12 dặm/giờ, tương đương với 5,3m/s, trong ví dụ)

Sự phân bố tốc độ gió Sự phân bố xác suất gió

Điện năng hàng năm

Hình 1.26 Điện năng trung bình năm của một tuabin gió 1.3.4.3 Đánh giá của nhà sản xuất

Nhiều nhà sản xuất cung cấp một số đánh giá về điện năng trung bình năm (AEO) được dự kiến thu được từ các tuabin gió trong điều kiện vận hành tiêu chuẩn Đó là điều kiện ứng với đường phân bố Weibull-Rayleigh ở mực nước biển

Hình 1.27 biểu diễn đường cong đánh giá AEO - điện năng trung bình năm của một tuabin

gió cỡ nhỏ trong điều kiện trạng thái gió khác nhau

Hình 1.27 Đường cong đánh giá AEO của một tuabin gió cỡ nhỏ Bergey 850

CHƯƠNG 2 HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM TUABIN GIÓ WG/EV

2.1 Tuabin gió WG/EV vận hành ngoài trời

2.1.1 Giới thiệu chung

Tuabin gió WG/EV được thể hiện ở hình 1.30

Hình 2.1 Mô hình thí nghiệm WG/EV

1 Công tắc an toàn điện từ tự động Q1, In = 32A

2 Công tắc an toàn điện từ tự động Q2, In = 32A

3 Công tắc an toàn điện từ tự động Q3, In = 50A

4 Hiển thị điện áp một chiều

5 Hiển thị dòng điện một chiều

6 Dụng cụ đo các thông số dòng xoay chiều (P, V, I)

7 Hộ tiêu thụ điện (phụ tải)

8 Đầu ra cho phụ tải ngoài

9 Bộ nghịch lưu

10 Hộp điều khiển từ máy tính

11 Cáp kết nối cổng USB

12 Máy tính

13 Máy phát phong năng

14 Bộ cảm biến hướng gió/ cảm biến tốc độ gió

Khi lắp đặt cột cho thiết bị cần thực hiện các bước sau:

 Giá đỡ phải được lắp đặt chắc chắn vào một kết cấu đặc và vững chắc ở vị trí được chọn với các bu lông và đinh vít (đi kèm theo thiết bị)

 Đảm bảo chắc chắn rằng máy phát không tiếp xúc với bất cứ vật cản nào khi nó quay quanh hai trục Vị trí của giá đỡ không được gây cản trở theo bất kỳ hướng nào của cánh và phải cách tối thiểu 50 mm với các vật cản (hình 2.2 -2.3)

 Khoảng cách của chân máy phát từ trụ đỡ tới tường không vượt quá 1,0 m, khoảng cách giữa hai khớp nối là 0,5 m (hình 2.4)

Hình 2.2 Vị trí của cột chống của tuabin gió Hình 2.4 Vị trí đúng củ a tuabin gió

đặt trên trụ 1,5 m

Hình 2.3 Khoảng cách cần thiết khi quay

Nếu cột chống dài hơn cần thiết thì khoảng cách của chân tuabin từ khớp nối cuối cùng của giá đỡ tới tường không vượt quá 2,5 m; và phần thừa ra không được dài hơn hai lần khoảng cách giữa hai khớp nối

2.1.3 Lắp ráp rotor

Lắp đặt cánh của tuabin vào rotor với

các bu lông và đai ốc của thiết bị

được thể hiện ở hình 2.5 Để tránh hư

hỏng, không được lắp cánh khi máy

phát chưa ổn định trên trụ đỡ, để tránh

hư hại Sau khi lắp đặt cánh, vị trí của

chóp hình côn phải đảm bảo được lắp

tại chính giữa của rotor

Hình 2.5 Lắp đặt máy phát phong năng

2.1.4 Thiết bị điều chỉnh nạp điện

Máy phát điện gió gồm có: 01 hệ thống điều khiển mức nạp điện cho ac-quy Trị số điện áp

để nạp điện nằm trong khoảng cho phép từ 13,8V đến 17,8V Đối với thiết bị thí nghiệm trị

số điện áp thiết lập được đặt ở 14,1V vì điện áp của ac-quy là 12V Bất cứ khi nào mức nạp điện bị vượt quá giá trị thiết lập, tuabin gió lập tức ngừng hoạt động và ngắt cung cấp điện Sau đó hệ thống sẽ đợi đến khi mức điện áp nạp thấp hơn: tại giá trị ngưỡng 12,6V ac-quy bắt đầu được nạp trở lại

Vặn ốc điều chỉnh điện áp ở trên máy phát (hình 2.5 vị trí A) sẽ điều chỉnh giá trị điện áp nạp này, lưu ý rằng tăng điện áp thiết lập sẽ không làm tăng điện áp và cường độ đầu ra của máy phát phong năng; nhưng nó chỉ đơn thuần thay đổi điểm ngừng nạp điện, sau đó cần phải lưu ý tránh xảy ra các điều kiện quá tải cho ac-quy

Lưu ý: Thiết bị điều chỉnh này làm việc chính xác khi nó thường xuyên được kiểm tra mức

nạp điện cho ac-quy, do đó không được phép ngắt kết nối với ac-quy

2.2 Máy phát phong năng WG/EV vận hành trong nhà

2.2.1 Thiết bị và các bộ phận chính

Hệ thống máy phát phong năng vận hành trong nhà WG-I/EV là một thiết bị được ghép nối với bộ máy phát WG/EV Hệ thống này giúp bổ sung thêm kiến thức về máy phát phong năng, cho phép mô phỏng quá trình hoạt động của máy phát phong năng độc lập với lưới điện, hay tại những khu vực hoặc điều kiện vận hành thiếu gió Thiết bị này (hình 2.1) có

01 động cơ được liên kết cơ học với tuabin gió

Các thành phần của hệ thống được thể hiện trong hình 2.1, gồm các thiết bị sau

5 Biến tần

Hình 2.6 Hệ thống máy phát phong năng vận hành trong nhà, mod.WG-I/EV

2.2.2 Điều khiển hệ thống

2.2.2.1 Điều khiển hệ thống bằng tay

Đấu nối điện: Đóng hộp đấu nối lại

và tạo một số giắc nối sử dụng các

dây điện của thiết bị như trong hình

2.7 (điều khiển biến tần từ thiết bị

điều khiển bằng tay);

 cắm điện cho bộ WG/EV, sau khi

đảm bảo các thông số của nguồn

điện chính tương ứng với các

thông số của thiết bị;

Hình 2.7 Điều khiển biến tần từ thiết bị điều

khiển bằng tay

+ nhấn nút Start của bộ WG/EV và chuyển các công tắc Q1 và Q2 (hình 2.1, vị trí 1 và 2 tương ứng) sang ON;

Chú ý: nếu Q1 vẫn đặt ở OFF (các dây dẫn của máy phát bị ngắn mạch), trên bộ nghịch

lưu nhấp nháy đèn thông báo lỗi và chiết áp bị ngắt vì các lý do an toàn; thông báo này sẽ tắt ngay khi Q1 bật sang ON

 xoay núm chiết áp theo chiều kim đồng hồ đến khi trục của máy phát bắt đầu quay chậm chậm (nếu máy phát không chuyển động thì nhấn vào nút Run một lần nữa)

 kiểm tra rung động hệ thống xem có lớn không;

 dừng động cơ bằng cách xoay núm chiết áp theo hướng ngược chiều kim đồng hồ;

 chuyển công tắc Q1 sang OFF

2.2.2.2 Điều khiển hệ thống thông qua máy tính

Máy tính có thể điều khiển tần số dòng điện đầu ra của biến tần: có thể do hệ thống thu nhận và theo dõi số liệu sẵn có của bộ thí nghiệm, đặc biệt thông qua giao diện thẻ GpUSB: thẻ này sẽ gửi các dữ liệu tới máy tính thông qua một cáp kết nối USB Sau đó, các dữ liệu này sẽ được xử lý và hiển thị trên màn hinh máy tính thông qua phần mềm ứng dụng Visual Designer.Tín hiệu tương tự đầu ra (cùng với các tín hiệu khác được sử dụng trong bộ thí nghiệm WG/EV) sẽ thiết lập tần số cung cấp cho biến tần, trong khi một tín hiệu tương tự đầu vào được sử dụng để đánh giá giá trị tần số hiệu quả đạt được bởi biến tần tương tự

Đấu nối điện: Để sử dụng việc điều khiển biến tần từ xa với sự hỗ trợ của máy tính, đấu nối các dây dẫn của thiết bị như trên hình 2.8

Chương trình ứng dụng: Bộ thí nghiệm WG-I/EV được cung cấp với một phần mềm ứng

dụng đi kèm Chương trình VISUALDESIGNER4.0\ WG-Inn

Cửa sổ hiện thị:

Cửa sổ hiển thị ở hình 2.9 mô tả đường đặc tính của công suất phát ra so với tần số của

động cơ (cũng chính là tần số của biến tần); tần số này có thể được thiết lập ở trên máy

tính: sử dụng thanh trượt sẵn có ở phía dưới của màn hình hiển thị mà phát ra các tín hiện

từ 0 – 10V, nó cũng có thể được đọc ở màn hình hiển thị của bộ biến tần Cửa sổ hiển thị này được chia làm hai phần: Test và Graphic Comparison (Kiểm tra và so sánh biểu đồ)