Một phương pháp điều khiển tốc độ tuabin gió trục đứng

Lại Khắc Lãi và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 59(11): 42 - 45 MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN GIÓ TRỤC ĐỨNG Lại Khắc Lãi, Nguyễn Văn Huỳnh Đại học Thái nguyên, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Nhược điểm của tuabin gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của tuabin cũng thay đổi theo. Chúng ta có thể giữ cho tốc độ quay của tuabin ổn định bằng cách thay đổi góc cánh của tuabin, tức là thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh. Bài báo giới thiệu một phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin gió trục đứng bằng cách sử dụng động cơ một chiều để điều khiển và thay đổi góc cánh của tuabin. Từ khóa: Tuabin gió trục đứng. ĐẶT VẤN ĐỀ giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến Loài người đã biết sử dụng năng lượng hạn chế mức độ tăng tốc độ quay của gió từ rất lâu, nhưng ở mức độ hạn chế. tuabin. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm Ngày nay các nước vùng ôn đới và hàn xuống, cánh tuabin tự xoay dần về vị trí đới đã quan tâm đến nguồn năng lượng ban đầu, để duy trì tốc độ quay của gió và đã có những thành quả tốt, đặc tuabin trong phạm vi cho phép. Với máy biệt trong việc sản xuất ra các máy phát phát điện sức gió công suất lớn, thường điện sức gió công suất lớn, để hòa vào dùng kết cấu cơ khí như hệ thống cam hệ thống điện quốc gia. để điều chỉnh góc cánh [6]. Kết cấu máy sử dụng lực ly tâm và hệ thống cam để Máy phát điện sức gió công suất lớn đòi thay đổi góc cánh tuabin như vậy tương hỏi phải có hệ thống điều tốc tốt, đảm đối đơn giản, nhưng có nhược điểm là bảo tốc độ quay của trục tuabin nằm điều khiển đồng thời các cánh của tuabin trong giới hạn quy định. Hiện nay, thường và do là các kết cấu cơ khí nên đáp ứng dùng phương pháp thay đổi góc cánh chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, tuabin, điều chỉnh diện tích bề mặt hứng khoảng biến thiên tốc độ quay của tuabin gió của cánh tuabin để ổn định tốc độ. quá lớn. Với máy phát điện sức gió công suất nhỏ, Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất việc thay đổi góc cánh thường hay dùng phương pháp dùng động cơ điện để thay phương pháp ly tâm của khối lượng quay đổi góc cánh nhằm điều khiển và ổn định [6],[9]. Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc tốc độ của của tuabin gió trục đứng. độ quay của tuabin thay đổi, lực ly tâm Nguyên lý làm việc của hệ thống như của vật quay cũng thay đổi. Nếu gió lớn, sau: Đặt cho trục tuabin gió một giới hạn vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác tốc độ cho phép; khi tốc độ gió lớn hơn dụng lên cơ cấu xoay cánh tuabin làm quy định, trục tuabin sẽ quay nhanh hơn, bộ phận cảm biến nhận được tín hiệu,  Lại Khắc Lãi, Tel:0913507464 chuyển đến bộ điều khiển, bộ điều khiển Email: laikhaclai@gmail.com Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lại Khắc Lãi và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 59(11): 42 - 45 so sánh với tốc độ quay quy định, phát Số 0,593 được gọi là giới hạn Betz hoặc hệ tín hiệu đến động cơ, động cơ xoay cánh số Betz. tuabin một góc để giảm bề mặt hứng gió; Bằng phương pháp phân tích đơn giản khi tốc độ gió giảm, động cơ sẽ xoay về động lực học đối với tuabin gió tìm cánh quay trở lại. Bằng cách này, do sử được hệ số công suất cực đại của nó là dụng bộ điều khiển bằng điện nên đáp 16/27 tức là 59,3%. Điều này đã được ứng nhanh, tốc độ quay của trục tuabin Betz chứng minh (1927). Hiển nhiên đây được điều chỉnh kịp thời, rút ngắn đáng là trường hợp số cánh vô hạn (trở lực kể khoảng dao động tốc độ quay của bằng không) là điều kiện của một tuabin tuabin. gió lý tưởng. Trong thực tế có 3 nhân tố CƠ SỞ LÝ THUYẾT làm giảm nhỏ hệ số công suất cực đại: Việc biến đổi năng lượng gió tuân theo 1- Phía sau tuabin gió tồn tại dòng xoáy; những nguyên lý cơ bản về khả năng sử 2- Số cánh của tuabin gió là có hạn; dụng gió và khả năng tối ưu của các 3- Tỷ số Cd/Cl không bằng 0. tuabin. Với Cl là hệ số nâng, Cd là hệ số cản. Đặt tuabin gió trong dòng chảy của không F F khí, khi không khí đến gần tuabin bị ứ lại, C l ; C  d l 1 d 1 áp suất dòng chảy tăng lên và vận tốc VA2  V2 A 2 2 giảm, đến khi dòng chảy chạm vào mặt trong đó: tuabin trao cho tuabin năng lượng. Dòng  - mật độ không khí (kg/m3); chảy phía sau tuabin bị nhiễu xoáy, gây V - vận tốc dòng không khí (gió) không bị bởi chuyển động của tuabin và sự tác nhiễu loạn (m/s); động với các dòng không khí xung quanh. Về nguyên tắc, dòng chảy phải A - Diện tích hình chiếu của cánh (diện tích 2 được duy trì. Do đó, năng lượng tuabin hứng gió) (m ). thu nhận được bị hạn chế. Trong trường Fl - Lực nâng (N). hợp toàn bộ năng lượng gió được tuabin thu nhận, thì vận tốc gió đằng sau tuabin Fd - Lực cản (N). sẽ bằng không. Muốn cho dòng chảy được cân bằng giữa khối lượng và vận Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt tốc, năng lượng chảy qua tuabin phải bị hứng gió của cánh tuabin, thì hiệu suất mất mát. Đối với hệ tối ưu, số phần trăm sử dụng năng lượng gió của tuabin thay cực đại của năng lượng gió có thể thu đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên cánh nhận được tính theo công thức do Carl làm quay tuabin. Khi tốc độ gió tăng, Betz đưa ra năm 1927 : năng lượng gió tăng lên, nhưng công suất trên trục tuabin hầu như không tăng P V3 max  0,593 0 lên. Ar 2 Hệ thống thiết bị khai thác năng lượng Trong đó : P là mật độ năng lượng gió rất khác nhau về kích thước, hình Ar là diện tích quét của cánh tuabin dạng và dạng năng lượng cuối cùng nhận được. Nói chung hệ thống thiết bị V0 là vận tộc gió ban đầu - Mật độ năng khai thác năng lượng gió có các phần: Bộ lượng trên một đơn vị thể tích dòng chảy góp sức gió, chuyển động sơ cấp, thiết bị không khí. sản sinh năng lượng cuối cùng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lại Khắc Lãi và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 59(11): 42 - 45 Hệ thống máy phát điện sức gió, dạng Với biên dạng cánh là phẳng thì thành năng lượng cuối cùng là điện năng; bộ phần sẽ gây ra lực cản Fd còn thành góp gió là tuabin gió; chuyển động sơ phần sẽ gây ra lực nâng cánh Fl, chỉ cấp là chuyển động quay tròn của trục có thành phần Fl mới có tác dụng gây ra tuabin; thiết bị sản sinh điện năng là máy chuyển động của cánh. phát điện. Để máy phát điện hoạt động Ta phân tích thành hai thành phần: tốt, có thể hoà được vào lưới điện quốc gia, chuyển động sơ cấp - chuyển động UUUhd ht quay tròn của trục tuabin phải có tốc độ quay hợp lý và ít thay đổi. Với: - Uhd là tốc độ theo phương tiếp tuyến; 3. Xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng. - Uht là tốc độ theo phương hướng tâm. Xét tuabin gió trục đứng gồm 5 cánh có Thành phần theo phương hương tâm gây biên dạng phẳng hình chữ nhật. Bài toán ra lực hướng tâm trên cánh, thành phần điều khiển đặt ra ở đây là trong quá trình theo phương tiếp tuyến gây ra lực có tác tuabin làm việc cần phải liên tục thay đổi dụng làm cánh chuyển động và ta gọi đó góc cánh của mỗi cánh sao cho phù hợp là lực hiêu dụng F . Ta có: 1 hd với vị trí của chúng đồng thời tương ứng F C AU2 với công suất đặt của tuabin. dh2 hd hd Để xác định góc cánh điều khiển ta đi trong đó: phân tích động lực học của cánh gió 3  - mật độ không khí (kg/m ); tuabin ở một vị trí bất kỳ như hình 1: Uhd - vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến (m/s) A - Diện tích của cánh gió (diện tích hứng gió) (m2). Chd – Hệ số lực hiệu dụng. Theo lý thuyết tối ưu về hiệu suất biến đổi năng lượng gió thì ở một vị trí xác Hình 1. Động lực học cánh gió ở một vị trí bất định ( xác định) giá trị Fhd phải đạt giá trị kỳ là lớn nhất Fhdmax và từ biểu thức của Fhd ta thấy Fhd đạt giá trị là lớn nhất khi Uhd Trong đó: đạt giá tri lớn nhất. Từ hình 2 ta có: U Vsin ; -  là góc định vị ở tâm,  là góc cánh (đại U Ucos   Vsin  .cos  lượng cần điều khiển),  là góc tới là hd V 0 tốc độ gió. Giả thiết tốc độ gió tác động Với:       90 vào cánh tuabin là , ta phân tích nó thành hai thành phần, một thành phần Uhd  Vsin  .cos   0 song song với mặt cánh là W , một thành Vsin(  90 ).cos  Vcos(  ).cos  phần vuông góc với mặt cánh là U V U  [cos(2    )  cos  ] hd 2 VUW Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lại Khắc Lãi và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 59(11): 42 - 45 Khi  xác định thì Uhd đạt giá trị lớn nhất Như vậy lực Fhd sẽ được ổn định và tốc khi độ của tuabin cũng được ổn định. Sơ đồ khối của hệ thống được biểu diễn trên  cos(2 - ) = 1  hình 3. 2 Từ mối quan hệ giữa góc cánh  và góc định vị  ta có thể xác định được góc cánh điều khiển ở bất kỳ vị trí nào của cánh. Hình 3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống Sau đây ta xác định góc cánh điều khiển của một cánh của tuabin ở 10 vị trí như sau: Góc 14 định vị  0 36 72 108 180 4 (độ) Góc cánh ĐK 0 18 36 54 72 90 (độ) Góc định 216 252 288 324 360 vị  (độ) Hình 4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống Góc Trong đó: cánh ĐK 108 126 144 162 180 (độ) + BĐK- Bộ điều khiển + ĐKGC- Hệ thống điều khiển góc cánh của tuabin gió trục đứng. Trong đó có 5 hệ thống điều khiển vị trí để điều khiển góc cánh của 5 cánh gió một cách độc lập nhau. Hình 2. Cánh gió ở 10 vị trí khác nhau Với các cánh còn lại của tuabin ta cũng điều khiển góc cánh tương tự như vậy khi ở các vị trí tương ứng. Góc cánh ở trên ứng với tốc độ gió bằng tốc độ gió định mức V = V , trong trường 0 Hình 5. Kết quả mô phỏng khi K=0.2; hợp tốc độ gió lớn hơn tốc độ gió V > V0, ta thấy: K= 0.6 với giá trị đặt không đổi  + Đối với khối tuabin thì tín hiệu vào là cos(2   )  1    2 góc cánh điều khiển của 5 cánh gió và nhiễu tác động làm thay đổi tốc độ quay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lại Khắc Lãi và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 59(11): 42 - 45 của tuabin ở đây là tốc độ gió, tín hiệu ra [2]. Nguyễn Thương Ngô (1998), Lý thuyết điều của tuabin là tốc độ quay. Như vậy: khiển tự động hiện đại, Nxb khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. n K( 1   2   3   4   5 ) [3]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển phi với K = f(v) thay đổi phụ thuộc vào tốc độ tuyến, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội gió; , , , , là góc điều khiển của [4]. Thomas Ackerman (2005), Wind Power in 1 2 3 4 5 Power Systems. 5 cánh tuabin. Sơ đồ mô phỏng hệ thống [5]. Sandra Eriksson (2008), Direct Driven với bộ điều khiển PID kinh điển được Generators forVertical Axis Wind Turbines. biểu diễn trên hình 4. Các giá trị đặt khác [6]. Désiré Le Gouriérès (1982), Wind power nhau. plants – Theory and Desig. [7]. Morten H. Hansen, Anca Hansen, Torben J. Larsen, Stig Øye,Poul Sørensen and Peter uglsang (2005), Control design for a pitch- regulated, variable speed wind turbine [8]. Gary L. Johnson (2001), Wind energy systems. [9]. Erich Hau Springer (2005), Wind turbine. Springer (1997), Wind Energy. Hình 6. Kết quả mô phỏng khi K=0.2;K= 0.6 với giá trị đặt thay đổi Ta tiến hành chạy chạy mô phỏng với các giá trị nhiễu của tốc độ gió (K) khác nhau. Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên các hình 5và hình 6. Trong đó hình 5 cho trường hợp giá trị đặt không thay đổi, hình 6 ứng với KẾT LUẬN Từ kết quả mô phỏng ta thấy khi tốc độ gió thay đổi thì tốc độ của tuabin vẫn giữ được ổn định và bám sát với giá trị đặt thông qua sự thay đổi của góc cánh tuabin. Tuy nhiên khi tốc độ gió thay đổi quá lớn và ngẫu nhiên thì bộ điều khiển PID kinh điển không đáp ứng được yêu cầu chất lượng mà cần phải sử dụng các bộ điều khiển thông minh được xây dựng trên cơ sở của lý thuyết điều khiển hiện đại. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn May (2005), Bơm, quạt, máy nén, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lại Khắc Lãi và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 59(11): 42 - 45 SUMMARY A SPEED CONTROL STRATEGY OF VERTICAL AXIS WIND TURBINES Lai Khac Lai, Nguyen Van Huyen Thai Nguyen University, University of Technology, Thai Nguyen University A weakness of the wind turbine is that when the wind speed changes, the revolving speed of the wind turbine also changes. Rotating speed of turbine can be stabilized by changing pitch angle of the turbine, changing the surface area of the wings facing the wind. The paper presents a control strategy speed of vertical axis wind turbines by using DC motor to control and change pitch angle of the turbine. Keywords: vertical axis wind turbines.  Lai Khac Lai, Tel:0913507464 , Email: laikhaclai@gmail.com Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên