Điều khiển công suất của hệ thống điện gió (1)

39

Chương 3
HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
3.1. Sơ lược về lịch sử phát triển hệ thống điện gió
Lịch sử phát triển của thế giới nhân loại, từ rất sớm đã chứng kiến
những phát minh sử dụng năng lượng gió ứng dụng vào cuộc sống. Từ những
việc đơn giản như sử dụng năng lượng gió quay các cối xay bột, làm các thiết
bị bơm nước hoạt động và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi
xa.
Thiết kế được biết đến sớm nhất là cối xay gió có các cánh đón gió hình
chữ nhật được bố trí xung quanh một trục đứng, xuất hiện ở Ba Tư vào khoàng
(500 – 700 AD) sau công nguyên.

Hình 3.1 Bánh xe gió trục đứng cánh đón gió bằng gỗ thiết kế bởi Giáo sư
Blyth được xây dựng ở London 1905
Vào những năm (1300 - 1875 sau Công Nguyên), Cối xay gió trục ngang
đầu tiên xuất hiện ở thế giới phương Tây dựa theo mô hình cối xay gió trục
dọc ở Ba tư.


40

Hình 3.2 Cối xay gió Tây Ban Nha ở La Mancha
Quá trình cải tiến, hoàn thiện những cánh quạt cối xay gió làm gia tăng
hiệu quả, mất thời gian khoảng 500 năm. Cánh quạt cối xay gió trong thời gian
này là tiền thân cho việc nghiên cứu thiết kế các turbine gió có cánh hiện đại
như ngày hôm nay.
Các tài liệu đầu tiên về hệ thống phát điện bằng sức gió được lập vào
năm 1887 do một người Scotland tên là James Blyth, các tài liệu này được
biên soạn dựa trên việc nghiên cứu tạo ra năng lượng chiếu sáng cho ngôi nhà

của ông ta. Ông đã xây dựng một trục thẳng đứng có chiều cao 10 mét và 4
cánh quạt đón gió để tạo ra nguồn điện thấp sáng.
Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết
bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử nhân loại đã bước sang thời
kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước.


41

Hình 3.3 Một cối xay gió cánh thép dùng bơm nước ở gần thung lũng Clare,
Nam Úc.
Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức
gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm như sau: Cánh được
ghép thành xuyến tròn có đường kính vòng ngoài 17m. Tỉ số truyền hộp số
ghép giữa cánh turbine với trục máy phát 50:1. Tốc độ định mức của máy phát
là 500 vòng/phút. Công suất phát định mức là 12kW.

Hình 3.4 Turbine gió Charles Brush năm 1888


42

Đến thế kỷ 20 vào những năm 1900 đến 1973, turbine gió cá nhân được
sử dụng để cạnh tranh với các nhà máy nhiên liệu hóa thạch.
Năm 1920, Albert Bates nghiên cứu và lập các nguyên tắc vật lý mà
vẫn còn được sử dụng ngày hôm nay, để tận dụng lợi thế của năng lượng gió là
tối ưu: Giảm tốc độ của lưu lượng luồng gió thổi để chỉ một phần ba tốc độ gió
đồng đều trên diện tích cánh quạt, được thực hiện bởi bề ngoài giảm chiều dài
của cánh quạt.
Năm 1931 turbine gió Darrieus được phát minh. Đặc điểm của loại này

là định hướng thẳng đứng có thể nhận gió từ mọi hướng mà không cần phải
điều chỉnh.
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, turbine gió loại nhỏ được sử dụng để
sạc pin tàu ngầm của Đức như một biện pháp bảo tồn nhiên liệu.
Từ năm 1973-trở đi cuộc khủng hoảng giá dầu đã thúc đẩy mạnh sự
nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng gió. Tại Mỹ từ năm 1974 đến giữa
những năm 1980 đã cho thử nghiệm hoạt động 13 turbine gió, trong bốn mẫu
thiết kế turbine gió lớn. Đây là chương trình phát triển nghiên cứu đi tiên
phong trong công nghệ turbine nhiều megawatt sử dụng ngày nay.

Hình 3.5 Cụm 3 turbine 7,5 megawatt Mod-2 ở ngọn đồi Goodnoe
Washington vào năm 1981
Theo thông tin từ hội nghị năng lượng gió quốc tế tại Bonn diễn ra
ngày 03 -07- 2012 thì hiện nay có tổng cộng, 98 quốc gia và khu vực đã được


43

xác định trên toàn thế giới sử dụng năng lượng gió để phát điện, và cho đến
hôm nay turbine gió lớn nhất có công suất định mức là 10MW, đường kính
130 mét

Hình 3.6. Kích thước turbine điện gió đã được sản xuất đến năm 2012
3.2. Cấu trúc và đặt điểm chung của hệ thống điện gió

Hiện nay turbine gió trong hệ thống điện gió có hai loại, một loại
turbine gió trục đứng và một loại turbine gió trục ngang

Hình 3.7. a)Turbin gió trục đứng

Hình 3.7. b)Turbin gió trục ngang

3.2.1. Cấu trúc Turbine gió trục đứng


44

Gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được
nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Loại này có thể hoạt động với mọi
gốc độ hướng gió nên hiệu quả cao hơn, có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều
có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao,
duy tu bảo dưỡng đơn giản.
3.2.2. Cấu trúc Turbine gió trục ngang

Gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay)
ở giữa, liên kết với một turbine 3 cánh đón gió. Máy phát điện đựợc đặt trên
một tháp cao hình côn. Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay
gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, mẫu mã hiện đại.
3.2.3. Đặt điểm chung của turbine gió trục đứng và ngang
Hai loại này có chung đặt điểm là đặt trên tháp, các trạm phát điện này
có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia. Các
trạm độc lập thì cần có một bộ nạp, bộ ắc quy và bộ đổi điện. Khi dùng không
hết, điện được tích trữ vào ắc quy. Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ
ắc quy. Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc quy.
Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s.
và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s. Tốc độ gió hiệu quả từ
10 m/s đến 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện.
3.3. Những thuận lợi và khó khăn của hệ thống điện gió
3.3.1. Thuận lợi
Không tiêu tốn nhiên liệu, là nguồn năng lượng vô tận, không gây ô

nhiễm môi trường, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng (xây dựng trạm
ngoài biển, những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công
nghiệp, nông nghiệp. Điện gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, giảm được chi
phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.
3.3.2. Khó khăn
Chi phí đầu tư lớn, giá bán điện chưa cạnh tranh được với các nguồn
năng lượng khác.
3.4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống điện gió


45

3.4.1. Cấu tạo

Hình 3.8 Mô hình các thành phần chính của turbine gió
Thiết bị đo lường tốc độ gió (Anemometer): Dùng đo lường tốc độ
gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
Cánh quạt (Blades): Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm
cho các cánh quạt chuyển động và quay.
Trục cánh quạt (Hub): Dùng để kết nối các cánh quạt lại với nhau và
nối với trục chính.
Bộ hãm (Brake): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
Ví dụ: khi tốc độ gió cao sinh ra công suất gió rất lớn làm ảnh hưởng
đến độ bền cơ hoặc hư hỏng turbine gió hoặc trong trường hợp khẩn cấp, hệ
thống hãm có thể điều khiển bằng cơ hoặc bằng điện hay bằng thủy lực để
dừng rotor.
Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc
độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc

46

động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát
này có thể phát nóng.
Hộp số máy phát điện (Gear box): Dùng để tăng tốc độ rotor với tốc
độ quay theo yêu cầu của các máy phát điện để sản xuất điện từ 30 đến 60
vòng/phút lên 1200 đến 1500 v/p để có khả năng phát ra điện. Đây là phần
chính yếu của turbine gió và giá thành của bộ phận này chiếm 75% giá thành
của toàn hệ thống turbine
Máy phát điện gió (Generator): Máy phát điện là một thành phần
quan trọng không thể thiếu trong turbine gió, vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ
năng của turbine thành điện năng và để điều khiển điện áp thông qua tốc độ
quay của turbine.
Trục tốc độ cao (High – speed shaft): Là trục truyền động ở tốc độ
cao của máy phát.
Trục tốc độ thấp (Low – speed shaft): Là trục trục quay tốc độ thấp
của máy phát.
Vỏ (Nacelle): Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên
đỉnh trụ và bao gồm các phần như: hộp số, trục tốc độ thấp và cao, máy phát
điện gió, bộ điều khiển, bộ hãm. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần
bên trong vỏ. Vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong
trong khi làm việc.
Bước răng (Pitch): Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ
cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
Tháp (Tower): Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép.
trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều
hơn.

47

Hình 3.9. a) Cột tháp thanh sắt chéo (Lattice Tower); b) Cột tháp chằn giữ
(Guyed Tower); c) Cột tháp tiêu chuẩn tự do (Free Tower)
Đo hướng gió (Wind vane): Dùng để xử lý hướng gió và liên lạc với
“yaw drive” để định hướng turbine gió.
Truyền động hướng (Yaw drive): Dùng để giữ cho rotor luôn luôn
hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió.
Động cơ truyền động hướng (Yaw motor): Động cơ cung cấp cho
“yaw drive” định được hướng gió
3.4.2. Nguyên lý hoạt động của các thành phần chính của turbine gió
Năng lượng gió làm cho hai hoặc ba cánh quạt quay quanh một rotor.
Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục
quay máy phát để phát ra điện. Dòng điện từ máy phát phát ra qua bộ chỉnh
lưu xoay chiều thành một chiều và sau đó nghịch lưu một chiều thành xoay
chiều có dạng sống hình sin và tần số ổn định là 50Hz giống như tần số của
lưới điện để hòa được vào lưới điện.
3.5. Đặt tính chung của các loại máy phát điện gió
3.5.1. Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly fed induction generat

--or DFIG)

Hình 3.10 Hệ thống máy phát điện nguồn kép


48

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép là loại máy phổ biến dùng cho các
loại máy phát điện turbine gió loại lớn.

3.5.1.1. Ưu điểm của DFIG
Tốc độ có thể thay đổi trong một phạm vi ổn định với các chi phí
chuyển đổi giới hạn.
Có thể điều khiển công suất phản kháng và tác dụng của stator một
cách độc lập bởi bộ chuyển đổi các dòng rotor được điều khiển.
Có thể điều khiển công suất phản kháng của máy phát điện độc lập ở
phần chuyển đổi phía lưới. Điều này cho phép chất lượng của điện áp cung
ứng phía lưới điện.
3.5.1.2. Nhược điểm
Sự phát tán nhiệt do ma sát hộp số, hộp số phải bảo trì thường xuyên,
nghe tiếng ồn lớn từ hộp số, mô men xoắn đỉnh cao trong các dòng máy lớn,
vòng bàn trượt đưa điện tới rotor cần duy tu sửa chữa, để hạn chế dòng khởi
động thì mạch bên ngoài phải đồng bộ hóa giữa stator và lưới điện.
3.5.2. Máy phát điện kiểu lòng sóc (Squirrel cage induction generator SCIG)

Hình 3.11 Máy phát điện kiểu lòng sóc
3.5.2.1. Ưu điểm của SCIG
Công nghệ mạnh mẽ, máy phát điện sản xuất hàng loạt dễ dàng và
tương đối rẻ. Hệ thống không có kết nối điện giữa stator và rotor. Hơn nữa, nó
cho phép máy được điểu chỉnh để hoạt động ở một tốc độ cố định khi nó được
kết nối với một mạng lưới lớn cung cấp tần số điều khiển ổn định, đó là loại
phổ biến nhất của máy phát điện được sử dụng cho các turbine gió lưới kết
nối.
3.5.2.2. Nhược điểm của SCIG


49

Không thể điều chỉnh tốc độ turbine để tối ưu hóa hiệu quả khí động
học, hộp số chiếm một khối lượng lớn trong thùng máy, và chi phí đầu tư rất

lớn, không thể hỗ trợ điều khiển điện áp lưới điện trong hầu hết các trường
hợp, chi phí của các công cụ chuyển đổi rất cao
3.5.3. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (permanent magnet
synchronous generator - PMSG)

Hình 3.12 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu
3.5.3.1. Ưu điểm
Máy phát điện loại này có một hiệu quả và năng suất tốt, các máy phát
điện có chi phí rẻ đầu tư, phát điện không có chổi than, được sử dụng cả hai
trong 50 Hz và 60 Hz lưới, khả năng lỗi lưới là ít phức tạp hơn, độ tin cậy cao
hơn do sự vắng mặt của các thành phần cơ khí như các vòng trượt.
3.5.3.2. Nhược điểm
Bộ chuyển đổi lớn hơn, đắt tiền hơn, thiệt hại trong chuyển đổi cao hơn
bởi vì tất cả công suất được xử lý bằng cách chuyển đổi, chi phí của nam châm
vỉnh cửu cao, khó khăn để xử lý trong sản xuất, khử từ của năm châm vĩnh
cửu ở nhiệt độ cao.
3.5.4. Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp (direct-drive synchron-

ous generator- EESG)

Hình 3.13 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu


50

3.5.4.1. Ưu điểm
Dẫn động trực tiếp, bộ truyền động đơn giản bởi bỏ qua hộp số, hiệu
quả và độ tin cậy cao, bộ dẫn động có độ ồn thấp
3.5.4.2. Nhược điểm

Trọng lượng và đường kính của máy phát điện lớn, chi phí cao
Bảng 3.1 So sanh máy phát điện dẫn động trực tiếp và máy phát điện dẫn động
bằng hộp số

Bảng 3.2 So sanh chi phí máy phát điện gió dẫn động bằng hộp số DFIG,
EESG dẫn động trực tiếp PMSG

3.6.

Các mô hình toán học của hệ thống điện gió

Hình 3.14 Hệ thống điện gió


51

Hệ thống điện gió bao gồm các thành phần cô bản như sau: Mô hình
của năng lượng gió, mô hình turbine, mô hình trục và hộp số, mô hình máy
phát điện gió, mô hình điều khiển hệ thống.
3.6.1. Mô hình toán học năng lượng gió

Mô hình của gió có thể mô phỏng các thời gian biến thiên của vận tốc
gió, bao gồm gió giật và tốc độ gió thay đổi nhanh chóng. Theo (PM Anderson
và Anjan Bose 1983) thì vận tốc gió Vw có thể được viết là:
Ww = VwB + VwG + VwR

(3.1)

trong đó
Ww

Vận tốc gió

VwB

Vận tốc gió cơ bản

VwG

Thành phần gió giật

VwR

Thành phần gió dốc

tốc độ gió cơ bản là một hằng số và được cho bởi:
VwB = C1, C1 = constant

(3.2)

các thành phần gió giật được biểu diễn như là một số hạng (1-cos) và được
cho bởi:
WwG

t < T1
0

 t − T1  

= C2 { 1 − COS π

  T1 ≤ t ≤ T2
T
−
T

2
1

0
t ≥ T2



(3.3)

trong đó
C2 là giá trị tối đa của các thành phần gió giật.
T1 và T2 là các thành phần gió bắt đầu và ngừng của gió giật.
những thay đổi tốc độ gió nhanh chóng được đại diện bởi một hàm dốc, được
cho bởi.
t < T3
0

  t − T3  
WwR = C3 
  T3 ≤ t ≤ T4
T
−
T
 0  4 3 

t ≥ T4


trong đó:
C3 là giá tốc độ gió thay đổi lớn nhất của gió dốc.

(3.4)


52

T3 và T4 là các thành phần gió bắt đầu và ngừng của gió dốc, tương
ứng.
Các thành phần tiếng ồn của tốc độ gió không được làm mô hình hóa,
lực quán tính turbine lớn không đáp ứng với các biến đổi tốc độ gió tần số
cao.

Hình 3.15 Biên dạng gió dùng để mô phỏng
3.6.2.

Mô hình toán học turbine

3.6.2.1. Thành phần biến đổi năng lượng gió
Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với vận tốc v
có thể được diễn tả như sau:

1
E= m.v 2
2

(3.5)

thế phương trình (3.5) vào (3.6) chúng ta có:
P=

dE d 1
= ( m.v 2 )
dt dt 2

áp dụng nguyên tắc dây chuyền trong toán học
P=
cho nên

d
dv du
(u.v)= u +v
dt
dt
dt

(3.6)


53

P=

1d
1
dv

dm
(mv 2 ) = (2mv + v 2 m
)
2 dt
2
dt
dt

cho vận tốc gió v không đổi
dv
=0
dt
do đó có thể diễn tả vận tốc v và tốc độ dòng chất như sau:
P=

1 d
1 g
(mv 2 ) = m v 2
2 dt
2

(3.7)

nếu không khí thổi qua mặt phẳng có tiết diện A, tỷ trọng không khí là ρ và tỷ
lệ dòng chất là
g

mρ.A.v
=

(3.8)

thế phương trình (3.8) vào (3.7) chúng ta được
P=

1
ρ Av3
2

(3.9)

nếu luồng không khí đi qua mặt phẳng có tiết diện hình tròn có đường kính D
Thì phương trình là:
P=
với:

1 π D2 3
ρ
v
2
4

(3.10)

ρ là tỷ trọng của không khí 1,225 Kg/m3
v là thể tích khối lượng không khí đi qua mặt phẳng A trong thời gian t.

điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế
vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định năng lượng gió. Công suất
gió khi muốn sử dụng.

54

Hình 3.16 a) Công suất có được từ gió

Hình 3.16 b) Mối liên quan công

suất,
tốc độ gió, chiều cao
Ngoài ra khi turbine điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công
suất thu được không bị thất thoát là P, Mật độ của không khí ρ không thay đổi,
áp suất phía trước và sau cánh quạt không khác biệt thì turbine điện gió có thể
thu được từ cánh quạt với hệ số công suất Cp tối đa gọi là hệ số công suất Betz
hoặc hệ số Betz.
3.6.2.2.Định luật Betz

Định luật Betz cũng đưa ra những lý thuyết về gió như: Định luật Betz
tương tự hiệu suất chu trình Carnot trong nhiệt động lực học thừa nhận rằng
một động cơ nhiệt không thể trích xuất tất cả các năng lượng từ một nguồn
năng lượng và phải loại bỏ một phần dòng nhiệt đầu vào của nó trở lại môi
trường. Trong khi đó, các hiệu suất chu trình Carnot có thể được thể hiện trong
các điều kiện của nhiệt độ T1 của dòng nhiệt độ cấp vào tuyệt đối và nhiệt độ
T2 thải nhiệt tuyệt đối.

η=

T1-T2
T2
=1T1

T1

(3.11)

Phương trình Betz đề cập đến tốc độ gió V1 của tuabin trước cánh quạt
và tốc độ gió V2 sau cánh quạt. Tổn thất trong hiệu suất của một động cơ nhiệt
được gây ra bởi sự loại bỏ nhiệt ra môi trường. Những tổn thất hiệu suất cho
một turbine gió thực tế được gây ra bởi sức cản do nhớt trên cánh quạt, gió
xoáy truyền các luồng không khí bởi rotor, và thất thoát công suất trong truyền
tải hệ thống điện.
Xem xét mô hình lý tưởng trong hình 3.13, chúng ta thấy rằng các tiết
diện quét bởi cánh quạt turbine là S với tiết diện luồng không khí từ phía trước
cánh quạt được chỉ định là S1 Và theo sau cánh quạt được chỉ định là S2.


55

Hình 3.17. Áp lực và sự thay đổi tốc độ trong một mô hình lý tưởng của một
máy phát điện gió
Tốc độ gió V đi qua cánh quạt turbine được xem là đồng nhất, giá trị
của nó là V1 tốc độ gió đầu cánh quạt, và V2 tốc độ gió sau cánh quạt. Khai
thác năng lượng cơ học của rotor xảy ra bằng cách giảm động năng của luồng
không khí từ nơi đầu cánh quạt gió đến nơi sau cánh quạt:
V1cho nên dòng không khí đi qua tiết diện từ đầu cánh quạt của turbine đến vị trí
sau cánh quạt của turbine là:
S1>S2
3.6.2.3.Phương trình liên tục, bảo tồn khối lượng

Nếu dòng không khí được coi là một trường hợp của dòng chảy không

nén được, phương trình bảo tồn khối lượng hoặc liên tục có thể được viết là:
•

m =ρS1V1 =ρSV=ρS2 V2 =constant

(3.12)


56

điều này thể hiện thực tế là tốc độ luồng không khí là một hằng số dọc theo
luồng gió. Định lý Euler cho các lực tác dụng bởi gió trên rotor như sau:
F = ma = m

dV •
= m ∆V = ρ SV .(V1 − V2 )
dt

(3.13)

năng lượng gia tăng được thực hiện trong luồng gió được cho bởi:
dF=Fdx

(3.14)

từ các thành phần công suất của các luồng gió là:
P=

dE
dx

=F
= FV
dt
dt

(3.15)

thay thế lực F từ phương trình (3.13), chúng ta nhận được công suất điện khai
thác từ gió:
p=ρSV 2 .(V1 -V2 )

(3.16)

công suất bằng tỷ lệ thay đổi động năng từ vận tốc gió đầu cánh quạt đến vận
tốc gió sau cánh quạt được cho bởi:
1
1
2
2
∆E 2 mV1 − 2 mV2 1 • 2
p=
=
= m(V1 − V22 )
∆t
∆t
2

(3.17)

dùng phương trình liên tục (3.16) chúng ta viết lại như sau:

1
2
P=ρSV(V -V
)2
2
1

(3.18)

2

hai biểu thức công suất P tương đương diển tả trong phương trình (3.16) và
(3.18) , chúng ta nhận được:
P=

1
ρ SV (V 2 − V 2 ) = ρ SV 2 (V1 − V2 )
2
1

2

(3.19)

các biểu hiện cuối cùng ngụ ý rằng:

hoặc

1 2
1

(V1 − V22 ) = (V1 − V2 )(V1 + V2 )
2
2
1
= (V1 − V2 ), ∀V,S ≠ 0
2

(3.20)

1 2
(V1 + V22 ), ∀(V1 − V2 ) ≠ 0, (V1 ≠ V2 )
2

(3.21)


57

Điều này cho thấy tốc độ gió ở rotor có thể được thực hiện như vận tốc
gió trung bình của đầu cánh quạt và sau cánh quạt. Nó cũng có nghĩa là các
turbine phải hoạt động như một phanh, giảm tốc độ gió từ V1 đến V2, nhưng
không hoàn toàn làm giảm nó đến V = 0, lúc này phương trình là không hợp lệ
nữa. Để thu được năng lượng từ các luồng gió, dòng chảy của nó phải được
duy trì và không ngăn chặn toàn bộ.
3.6.2.4. Mối liên quan giữa lực, công suất khai thác và nhân tố
nhiễu
Các biểu thức mới cho lực F và công suất điện P về vận tốc đầu cánh
quạt và sau cánh quạt bằng cách thay thế cho giá trị của V vào phương trình
(3.13) chúng ta có:
F=ρSV.(V1 − V2 ) =

1
ρ S .(V12 − V22 )
2

1
ρ S .(V1 + V2 ) 2 (V1 − V2 )
4
1
= ρ S .(V 2 − V22 ) 2 (V1 + V2 )
4

(3.22)

F=ρSV 2 .(V1 − V2 ) =

(3.23)

1

gọi b là nhân tố nhiễu của năng lượng gió qua cánh quạt, nhân tố b bằng tỷ lệ
tốc độ đầu cánh quạt V1 chia tốc độ V2 sau cánh quạt
b=

V1
V2

(3.24)

từ phương trình (3.22) lực F có thể được diển tả như sau:

1
F= ρ S .V12 (1 − b 2 )
2

(3.25)

công suất khai thác P trong điều kiện của nhân tố nhiễu b có thể được thể hiện
như sau:
1
ρ S (V12 − V22 )(V1 + V2 )
4
1
= ρ SV13 (1 − b 2 )(1 + b)
4

P=

(3.26)


58

sản lượng điện gió là công suất khai thác từ gió thì tỉ lệ với lập phương của tốc
3

độ gió đầu cánh quạt V1 và là một nhiệm vụ của các nhân tố nhiễu b.
3.6.2.5. Công suất bề mặt và mật độ công suất

Các "công suất bề mặt" hoặc tỷ lệ dòng năng lượng trên một đơn vị
diện tích, đôi khi được gọi là "Mật độ công suất" được xác định bằng cách sử

dụng phương trình. (3.9) như sau:
1
3
P 2 ρ SV
1
Joules watts
P= =
= ρV 3 ,( 2 ),( 2 ).
S
S
2
m .s
m
•

(3.27)

Thành phần điện động học của các luồng gió đầu cánh quạt không bị
nhiễu với V = V1 và trên một diện tích mặt cắt ngang S trở thành:
1
joules
W= ρ SV13 ,( 2 m 2 ), watts.
2
m .s

(3.28)

3.6.2.6.Hệ số hiệu suất của turbine

Hệ số hiệu suất là tỷ lệ thứ nguyên của công suất khai thác P với công

suất điện động học W có giá trị trong luồng gió không bị xáo trộn.
Cp =

P
W

(3.29)

Hệ số hiệu suất là một số đo không thứ nguyên của hiệu suất một
turbine gió trong chiết xuất hàm lượng năng lượng của một luồng gió. Thay
thế các biểu thức P từ phương trình (3.26) và W từ phương trình (3.28) ta có:
1
3
2
P 4 ρ SV (1 − b )(1 + b) 1
CP =
=
= (1 − b 2 )(1 + b)
1
W
2
ρ SV13
2

(3.30)


59

Hình 3.18. Hệ số hiệu suất Cp và các nhân tố nhiễu b

Bảng 3.3 Hệ số hiệu suất Cp và các nhân tố nhiễu b
Cp 0.5 0.545 0.576 0.592 0.593 0.588 0.563 0.512 0.434 0.324 0.181 0
b 0
0.1
0.2
0.3
1/3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8 0.9 1
Khi b = 1, V1 = V2 và luồng gió không bị xáo trộn, dẫn đến một hiệu
suất bằng không. Khi b = 0, V1 = 0, turbine dừng tất cả các luồng không khí
và hiệu suất bằng 0,5. Nó có thể được nhận thấy từ đồ thị hệ số hiệu suất đạt
đến một tối đa khoảng b = 1/3
3.6.2.7.Hệ số hiệu suất lớn nhất, giới hạn BETZ

Trong định luật Bezt giá trị tối đa của hệ số hiệu suất Cp được tính theo
quy tắc dây chuyền của sự khác biệt:
d
dv
du
(u.v) = u + v
dx
dx
dx
lấy đạo hàm riêng của phương trình (3.30) ta có.

60

dC p

1 d
( 1-b 2 ) ( 1+b ) 

db 2 db 
1
= ( 1-b 2 ) -2b ( 1+b ) 
2
1
= ( 1-b 2 -2b-2b 2 )
2
1
= ( 1-3b 2 -2b )
2
1
= ( 1-3b ) ( 1+b ) = 0
2
=

(3.31)

phương trình này mang lại một nghiệm thường:

( 1+b ) =0
b=

V2

= -1, ⇒ V2 = -V1
V1

(3.32)

và nghiệm tự nhiên thực tế

( 1-3b ) =0
b=

V2 1
1
= , ⇒ V2 = V1
V1 3
3

(3.33)

Điều đó có nghĩa là hoạt động tối ưu, vận tốc V2 sau cánh quạt bằng
một phần ba của vận tốc V1 đầu cánh quạt. Giá trị tối đa của hệ số hiệu suất Cp
từ phương trình (3.30) trở thành:

1
1 − b2 ) ( 1 + b )
(
2
1
1  1 
= 1 − ( ) 2 ÷1 + ÷
2

3  3 
16
=
= 0.59259 = 59.26 %
27

C P opt =

(3.34)

Đây được gọi là giới hạn của Betz. và áp dụng cho tất cả các thiết kế
turbine gió. Giới hạn của Betz là phần lý thuyết năng lượng có thể được chiết
xuất từ một luồng gió lý tưởng. Máy phát điện gió hiện đại hoạt động ở một


61

luồng gió lý tưởng không thấp hơn hệ số hiệu suất thực tế. Nó thường được
cho trong khoảng:
C p . prac ≈

2
= 40 %
5

(3.35)

từ phương trình (3.30) và (3.33) ta có kết quả như sau:
V=

1
1
V
2
( V1 +V2 ) =  V1 + 1 ÷= V1
2
2
3 3

(3.36)

từ phương trình liên tục (3.12) ta có kết quả như sau:
•

m = ρ S1V1 = ρ SV = ρ S 2V2 = cons tan t
V1 3
S1
V 2
V
S 2 = S1 1 = 3S1
V2
S = S1

(3.37)

Điều này ngụ ý rằng các tiết diện của hướng gió thổi luồng không khí
sau cánh quạt của turbine mở rộng gấp 3 lần diện tích của luồng gió đầu cánh
quạt.
3.6.2.8. Khai thác công suất của turbine lý tưởng

Công suất khai thác từ gió xác định theo hai cách khác nhau. Trong các
phương pháp tiếp cận đầu tiên, người ta có thể xác định công suất khai thác
bởi một turbine lý tưởng từ phương trình (3.36), (3.37) như sau:
1
Pideal
= Pupwind − Pdownwind

1
1
ρS1V13 - ρS2 V23
2
2
1
1
1
= ρS1V13 − ρ 3S1 ( V1 )3
2
2
3
1 8
81
= ρ ( S1V 3 ) =
ρS1V13
2 9
92
=

1

Trong đó:

l
Pideal

Pupwind

Công suất khai thác của turbine lý tưởng
Công suất trước cánh quạt

Pdownwind Công suất sau cánh quạt

(3.38)


62

Điều này cho thấy giá trị 8/9 của năng lượng trong luồng gió trước cánh
quạt có thể được chiết xuất bởi turbine. Đó là một kết quả rối loạn kể từ khi
luồng gió trước cánh quạt có một tiết diện nhỏ hơn tiết diện chắn bởi turbine.
Phương pháp tiếp cận thứ hai mang lại kết quả chính xác bằng cách xác định
lại công suất khai thác tại các turbine gió bằng cách sử dụng các diện tích của
turbine là S = 3/2 S1.
1 8
ρ ( S1V13 )
2 9
1 82 3
= ρ(
SV1 )
2 93
1 16
= ρ ( S1V13 )

2 27
16 1
=
ρ SV13
27 2

Pideal =

(3.39)

như vậy hệ số Betz (Cp):
CP =

16
= 0.592593 = 59.26%
27

(3.40)

Điều này cho thấy rằng một turbine gió có thể trích xuất nhiều nhất là
59,3% năng lượng trong một luồng gió không bị xáo trộn. Xem xét những tổn
thất ma sát, độ nhám bề mặt cánh quạt và cơ khí không hoàn hảo, sản lượng
công suất đạt 35-40% có sẵn trong gió theo điều kiện lý tưởng.
3.6.2.9.Công suất điện đầu ra

Hệ số hiệu suất là phần nhỏ của năng lượng gió được chiết xuất bởi một
turbine gió:
Cp =

Pm

1
ρSV13
2

(3.41)

vì vậy, công suất cơ thực tế theo vòng quay của cánh quạt là:
1
Pm = CρSV
=13C P
p
2

p w

(3.42)


63

Hình 3.19. Hệ số turbine gió
Công suất cơ theo vòng quay cánh quạt được nối với một cơ cấu truyền
động hoặc hộp số đưa vào hiệu suất của cơ cấu truyền động hoặc hộp số, để
truyền tải công suất được cho bởi :
Pt =Cηp

t

1

ρSV 13= C ηp Pt w
2

(3.43)

Tải có thể là một máy phát điện, máy bơm nước, máy nước nóng, máy
nén hoặc điện phân để sản xuất hydro, giới thiệu thêm một hiệu quả khác được
cho bởi:
1
ρSV 13
2
=Cηp ηt P
g w [watts(e)

Pg = Cηp ηt

g

(3.44)

]

Sản xuất điện thực tế sẽ tiếp tục bị ảnh hưởng với các gián đoạn, nhà
máy hoặc các hệ số công suất, do đó, công suất điện thực tế của turbine gió tại
tốc độ của nó được đánh giá là:
1
ρSV 13
2
=CF.CηP ηt P
g w [watts(e)

Pe =CF.CηP ηt

g

]

(3.45)

các turbine gió tương tự có thể được gắn liền với kích cỡ cơ cấu truyền dẫn và
máy phát điện khác nhau sản xuất ra lượng điện năng khác nhau.
3.6.2.10. Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh
Trong thiết kế turbine điện gió, hệ số vận tốc gió tại đầu cánh λ là tỉ lệ
giữa vận tốc tại vòng quay của đầu cánh quạt và vận tốc của luồng gió thổi đến
v. Đây là yếu tố quan trọng giữa việc quyết định số cánh quạt, công suất, độ
bền và kinh phí sản xuất. Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh λ là

λ=

vtop
v

(3.46)