giáo trình bài giảng Năng lượng gió

408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1

/>
Bài giảng 8

1


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

Bài giảng 8

2


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,

do đó sẽ nở ra
Bài giảng 8

3


Công suất nhận được từ cánh
1
Pb = m& ( v 2 − vd 2 )
2

(6.18)

• ṁ = tốc độ truyền khối không khí trong ống
• v = tốc độ gió phía trước (chưa bị ảnh hưởng)
• vd = tốc độ gió phía sau

Bài giảng 8

4


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

m& = ρ Avb

(6.19)

• Giả sử tốc độ gió tại rôto vb là trung bình cộng của tốc độ gió
phía trước v và tốc độ gió phía sau vd:

v + vd
vb =
2

Bài giảng 8

 v + vd 
m& = ρ A 
÷
 2 

5


Công suất nhận được từ cánh
• Vậy (6.18) trở thành

1
 v + vd  2
2
Pb = ρ A 
v
−
v
d )
÷(

2
 2 
• Định nghĩa
vd
λ=
v

(6.20)
(6.21)

• Viết lại (6.20) thành

1
 v + λv  2
2 2
Pb = ρ A 
v
−
λ
v )
÷(
2
 2 
1
3 1
Pb = ρ Av × ( 1 + λ ) ( 1 − λ 2 ) 
2
2
PW = Công suất gió

(6.22)
(6.22)

CP = Hiệu suất rôto
Bài giảng 8

6


Hiệu suất cực đại của rôto
• Tìm tỷ số tốc độ gió λđể hiệu suất của rôto đạt cực đại, CP
• Từ slide trước đó

2
3
1
1
λ
λ
λ
CP = ( 1 + λ ) ( 1 − λ 2 )  = - + 2
2 2 2 2

Gán đạo hàm của hiệu suất bằng 0, và giải theo λ:

∂CP
=3λ 2 + 2λ − 1 = 0
∂λ

∂CP

= ( 3λ − 1) ( λ + 1) = 0
∂λ

1
λ=
3

sẽ cho hiệu suất rôto cực đại
Bài giảng 8

7


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

1  1 
1   16
CP = 1 + ÷ 1 − 2 ÷ =
= 59.3%
2  3  3   27

(6.26)

• 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”

Bài giảng 8

8


Hiệu suất của rôto
• 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.
Bài giảng 8

9


Tỷ số tốc độ (TSR)
• Hiệu suất là một hàm của tốc độ quay của rôto
• Tỷ số tốc độ (TSR)

Rotor tip speed rpm × π D
Tip-Speed-Ratio (TSR) =
=
(6.27)
Wind speed
60v
• D = đường kính rôto (m)

• v = tốc độ gió phía trước (m/s)
• rpm = tốc độ rôto, (vòng/phút)
• Rôto có ít cánh sẽ đạt hiệu suất cực đại ở tỷ số tốc độ cao
hơn
Bài giảng 8

10


Tỷ số tốc độ (TSR)

Bài giảng 8

11


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?

Bài giảng 8

12

Ví dụ 6.7
a. Tìm tốc độ rôto (vòng/phút) nếu nó có TSR bằng 4,0
Viết lại (6.27),

Tip-Speed-Ratio (TSR) ×60v
rpm =
πD
4.0 ×60sec/min ×14m/s
rpm =
= 26.7 rev/min
π ×40m/rev
Ta cũng có thể biểu diễn thành vòng/giây:

26.7 rev/min
rpm =
= 0.445 rev/sec or 2.24 sec/rev
60 sec/min
Bài giảng 8

13


Ví dụ 6.7
b. Tốc độ đầu cánh
Từ (6.27):

rpm × π D
Rotor tip speed=
60 sec/min
Rotor tip speed = (rev/sec) × π D

Rotor tip speed = 0.445 rev/sec ×π 40 m/rev = 55.92 m/s
c. Tỷ lệ hộp số

Generator rpm 1800
Gear Ratio =
=
= 67.4
Rotor rpm
26.7
Bài giảng 8

14


Ví dụ 6.7
d. Hiệu suất của toàn bộ tuabin (cánh, hộp số, máy phát)
dưới các điều kiện này
Từ (6.4):

1
1
π

3
PW = ρ Av = ( 1.225 )  ×402 ÷143 = 2112 kW
2
2
4


Hiệu suất toàn bộ:

600 kW
η=
= 28.4%
2112 kW

Bài giảng 8

15


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

• Tốc độ gió làm cho máy phát quay nhanh hơn tốc độ đồng
bộ
Bài giảng 8

16


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
N R = (1 − s ) N S = [1 − ( −0.01)] ×3600 = 3636 rpm

Bài giảng 8

17


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

Bài giảng 8

18


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

Bài giảng 8

19


Hiệu suất theo tốc độ gió

Bài giảng 8

20


Công suất phát ra theo tốc độ gió

Bài giảng 8

21


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

Bài giảng 8

22


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

Bài giảng 8

23


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

Bài giảng 8

24

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

Bài giảng 8

25