Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 3, Phần 2: Năng lượng gió - Nguyễn Quang Nam

408004 
Năng lượng tái tạo 
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 
2013 – 2014, HK1 
nqnam@hcmut.edu.vn 
1 
Bài giảng 8 
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 
2 
Bài giảng 8 
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 
3 
Bài giảng 8 
Công suất nhận được từ cánh 
ṁ = tốc độ truyền khối không khí trong ống 
v = tốc độ gió phía trước (chưa bị ảnh hưởng) 
v d = tốc độ gió phía sau 
4 
Bài giảng 8 
Xác định tốc độ truyền khối 
Dễ nhất là xác định tại bề mặt rôto vì chúng ta biết diện tích mặt cắt A 
Vậy, tốc độ truyền khối từ (6.3) là 
Giả sử tốc độ gió tại rôto v b là trung bình cộng của tốc độ gió phía trước v và tốc độ gió phía sau v d : 
5 
Bài giảng 8 
Công suất nhận được từ cánh 
Vậy (6.18) trở thành 
Định nghĩa 
Viết lại (6.20) thành 
P W = Công suất gió 
C P = Hiệu suất rôto 
6 
Bài giảng 8 
Hiệu suất cực đại của rôto 
Tìm tỷ số tốc độ gió l để hiệu suất của rôto đạt cực đại, C P 
Từ slide trước đó 
sẽ cho hiệu suất rôto cực đại 
Gán đạo hàm của hiệu suất bằng 0, và giải theo l : 
7 
Bài giảng 8 
Hiệu suất cực đại của rôto 
Thay giá trị tối ưu của l vào C P để tìm hiệu suất cực đại của rôto: 
Hiệu suất cực đại 59,3% xảy ra khi không khí phía sau có tốc độ bằng 1/3 giá trị phía trước. 
Được gọi là “hiệu suất Betz” hay “định luật Betz” 
8 
Bài giảng 8 
 Ở tốc độ gió đã cho, hiệu suất rôto là một hàm của tốc độ quay của rôto. 
 Nếu rôto quay quá chậm, hiệu suất giảm vì cánh đã để lọt quá nhiều gió. 
 Nếu rô to quay quá nhanh, hiệu suất giảm vì mỗi cánh gây nhiễu loạn nhiều lên cánh tiếp theo. 
 Cách thông thường để minh họa hiệu suất rôto là biểu diễn nó như một hàm của tỷ số tốc độ (TSR – tip-speed ratio). 
 Tỷ số tốc độ là tỷ số của tốc độ tại đầu cánh và tốc độ gió. 
Hiệu suất của rôto 
9 
Bài giảng 8 
Tỷ số tốc độ (TSR) 
Hiệu suất là một hàm của tốc độ quay của rôto 
Tỷ số tốc độ (TSR) 
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 
10 
Bài giảng 8 
Tỷ số tốc độ (TSR) 
11 
Bài giảng 8 
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/m 3 
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? 
12 
Bài giảng 8 
Ví dụ 6.7 
a. Tìm tốc độ rôto (vòng/phút) nếu nó có TSR bằng 4,0 
 Viết lại (6.27), 
 Ta cũng có thể biểu diễn thành vòng/giây: 
13 
Bài giảng 8 
Ví dụ 6.7 
b. Tốc độ đầu cánh 
 Từ (6.27): 
c. Tỷ lệ hộp số 
14 
Bài giảng 8 
Ví dụ 6.7 
d. Hiệu suất của toàn bộ tuabin (cánh, hộp số, máy phát) dưới các điều kiện này 
 Từ (6.4): 
 Hiệu suất toàn bộ: 
15 
Bài giảng 8 
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 
Tốc độ gió làm cho máy phát quay nhanh hơn tốc độ đồng bộ 
Figure 6.18. Single-phase, self-excited, induction generator 
16 
Bài giảng 8 
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 
17 
Bài giảng 8 
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 
18 
Bài giảng 8 
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 
19 
Bài giảng 8 
Hiệu suất theo tốc độ gió 
20 
Bài giảng 8 
Công suất phát ra theo tốc độ gió 
21 
Bài giảng 8 
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 
22 
Bài giảng 8 
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 
23 
Bài giảng 8 
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 
24 
Bài giảng 8 
Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW 
25 
Bài giảng 8 
Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW 
26 
Bài giảng 8 
Máy phát không đồng bộ nguồn kép 
Một phương pháp phổ biến khá là dùng thiết bị gọi là máy phát không đồng bộ nguồn kép, trong đó có một kết nối điện giữa mạch rôto và nguồn điện thông qua một bộ biến đổi AC-AC 
Điều này cho phép vận hành trên một dải tốc độ rộng, ví dụ 30% với các máy phát GE 1,5 MW và 3,6 MW 
27 
Bài giảng 8 
Các ví dụ DFIG GE 1,5 MW và 3,6 MW 
Tuabin GE 1,5 MW turbines bán chạy nhất ở Mỹ với 43% thị phần vào năm 2008 
28 
Bài giảng 8 
Các hệ thống hòa lưới gián tiếp 
Tuabin được phép quay ở tốc độ bất kỳ 
Tần số AC biến thiên từ máy phát đi qua một bộ chỉnh lưu (AC-DC) và một bộ nghịch lưu (DC-AC) thành 50 Hz để hòa lưới 
Xử lý tốt các thay đổi nhanh của tốc độ gió 
29 
Bài giảng 8 
Công suất gió trung bình 
Chúng ta có thể dự đoán năng lượng từ tuabin gió không? 
Để tính công suất gió trung bình, ta cần biết giá trị trung bình của lũy thừa ba của tốc độ: 
Đây là lý do chúng ta không thể dùng tốc độ gió trung bình v avg để tìm công suất gió trung bình 
30 
Bài giảng 8 
Công suất gió trung bình 
v i = tốc độ gió (km/h) 
Tỷ lệ thời gian gió ở tốc độ v i cũng là xác suất v = v i 
Đây là tốc độ gió trung bình theo nghĩa thống kê 
Giá trị trung bình của v 3 cũng được tìm theo cùng cách: 
31 
Bài giảng 8 
Ví dụ dữ liệu tốc độ gió thực 
32 
Bài giảng 8 
Ví dụ 6.9 
Dùng dữ liệu cho trong hình 6.22, tìm tốc độ gió trung bình và công suất gió trung bình (W/m 2 ). Giả sử khối lượng riêng của không khí là 1,225 kg/m 3 . So sánh kết quả với kết quả tính nhầm nếu chỉ dùng tốc độ gió trung bình. 
Giải : 
Lập bảng tính, mỗi dòng lần lượt tính tỷ lệ thời gian so với một năm, tốc độ gió nhân với tỷ lệ này, và lũy thừa ba của tốc độ gió nhân với tỷ lệ này. 
Sẽ tính được giá trị trung bình của tốc độ gió, và lũy thừa ba của tốc độ gió. 
33 
Bài giảng 8 
Hàm mật độ xác suất tốc độ gió 
 Hàm mật độ xác suất tốc độ gió (p.d.f) – giữa 0 và 1, diện tích dưới đường cong là 1 
34 
Bài giảng 8 
Hàm mật độ xác suất gió 
f(v) = hàm mật độ xác suất gió 
Xác suất tốc độ gió nằm giữa hai giá trị: 
số giờ/năm tốc độ gió nằm giữa hai giá trị: 
35 
Bài giảng 8 
Tốc độ gió trung bình theo hàm mật độ xác suất 
Tương tự như (6.33), nhưng bây giờ chúng ta có một hàm liên tục thay vì một hàm rời rạc 
Tương tự cho giá trị trung bình của ( v 3 ) 
discrete 
continuous 
continuous 
discrete 
36 
Bài giảng 8 
Hàm mật độ xác suất Weibull 
Điểm khởi đầu để lập đặc tính thống kê của tốc độ gió 
37 
Bài giảng 8 
Hàm mật độ xác suất Rayleigh 
Đây là hàm mật độ xác suất Weibull với k = 2 
Thường là điểm khởi đầu khi không biết gì về gió tại một nơi nào đó 
Khá thực tế cho một vị trí đặt tuabin gió – gió hầu như khá mạnh nhưng có những giai đoạn gió yếu và gió mạnh. Có một quan hệ trực tiếp giữa v avg và c: 
38 
Bài giảng 8 
Hàm mật độ xác suất Rayleigh 
Từ (6.43), chúng ta có giải c theo v 
Rồi chúng ta có thể thay giá trị này của c vào hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.42) 
39 
Bài giảng 8 
Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bình 
Có thể dùng thống kê Rayleigh khi những gì bạn biết là tốc độ gió trung bình (từ đồng hồ đo gió) 
Để tìm công suất gió trung bình, chúng ta cần ( v 3 ) avg 
Từ (6.40) và hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.45): 
Với một phân bố Rayleigh ta có 
40 
Bài giảng 8 
Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bình 
Đây là ( v 3 ) avg biểu diễn theo c , nhưng ta có thể dùng (6.44) để biểu diễn c theo v avg 
Vậy ta có ( v 3 ) avg biểu diễn theo v avg : 
Với giả thiết Rayleigh , ta có thể biểu diễn ( v 3 ) avg theo v avg như trong (6.47), và biểu thức tính công suất gió trung bình chỉ là 
Đây là một kết quả quan trọng và có ích 
41 
Bài giảng 8 
Ví dụ 6.10 
Ước tính công suất gió trung bình ở độ cao 50 m khi tốc độ gió trung bình ở 10 m là 6 m/s. Giả sử phân bố Rayleigh, hệ số ma sát chuẩn a = 1/7, và mật độ không khí chuẩn r = 1,225 kg/m 3 . 
Giải : 
Hiệu chỉnh tốc độ tại 50 m: 
v 50 = v 10 (H 50 /H 10 ) a = 7,55 m/s 
Tính công suất gió trung bình trên đơn vị diện tích 
42 
Bài giảng 8