Năng lượng tái tạo - Chương 3: Năng lượng gió - Hiệu suất cực đại của rôto

408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 8Ch. 3: Năng lượng gió3.5. Hiệu suất cực đại của rôto3.6. Máy phát tuabin gió3.7. Điều chỉnh tốc độ để đạt công suất cực đại3.8. Công suất gió trung bình2Bài giảng 8Hiệu suất cực đại của rôtoHai trường hợp đặc biệt, cả hai đều không có nghĩa -Tốc độ gió phía sau bằng 0 – tuabin lấy toàn bộ công suất gióTốc độ gió phía sau bằng phía trước – tuabin không lấy được bất kỳ công suất nàoAlbert Betz 1919: Phải có một mức độ giảm tốc độ lý tưởng để tuabin lấy được công suất tối đaDựa vào ràng buộc về khả năng của một tuabin trong việc chuyển động năng của gió thành công suất cơXét luồng gió đi qua tuabin – nó giảm tốc độ và giảm áp suất, do đó sẽ nở ra3Bài giảng 8Công suất nhận được từ cánhṁ = tốc độ truyền khối không khí trong ốngv = tốc độ gió phía trước (chưa bị ảnh hưởng) vd = tốc độ gió phía sau4Bài giảng 8Xác định tốc độ truyền khốiDễ nhất là xác định tại bề mặt rôto vì chúng ta biết diện tích mặt cắt AVậy, tốc độ truyền khối từ (6.3) làGiả 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:5Bài giảng 8Công suất nhận được từ cánhVậy (6.18) trở thànhĐịnh nghĩaViết lại (6.20) thànhPW = Công suất gióCP = Hiệu suất rôto6Bài giảng 8Hiệu suất cực đại của rôtoTìm tỷ số tốc độ gió lđể hiệu suất của rôto đạt cực đại, CP Từ slide trước đósẽ cho hiệu suất rôto cực đạiGán đạo hàm của hiệu suất bằng 0, và giải theo l:7Bài giảng 8Hiệu suất cực đại của rôtoThay giá trị tối ưu của l vào CP 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”8Bài 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 rôto9Bài giảng 8Tỷ số tốc độ (TSR)Hiệu suất là một hàm của tốc độ quay của rôtoTỷ 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 hơn10Bài giảng 8Tỷ số tốc độ (TSR)11Bài giảng 8Ví dụ 6.7Tuabin gió đường kính 40-m, 3 cánh, 600 kW, tốc độ gió 14 m/s, khối lượng riêng không khí 1,225 kg/m3a. Tìm tốc độ rôto (vòng/phút) nếu nó có TSR là 4,0b. Tìm tốc độ tại đầu cánh của rôtoc. 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?12Bài giảng 8Ví dụ 6.7a. 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:13Bài giảng 8Ví dụ 6.7b. Tốc độ đầu cánh Từ (6.27): c. Tỷ lệ hộp số14Bài giảng 8Ví dụ 6.7d. Hiệu suất của toàn bộ tuabin (cánh, hộp số, máy phát) dưới các điều kiện này Từ (6.4): Hiệu suất toàn bộ:15Bài giảng 8Động cơ không đồng bộ dùng làm máy phátStato cần có dòng điện kích thíchtừ lưới nếu nó nối lưới haytích hợp tụ điện bên ngoàiTốc độ gió làm cho máy phát quay nhanh hơn tốc độ đồng bộFigure 6.18. Single-phase, self-excited, induction generator 16Bài giảng 8Động cơ không đồng bộ dùng làm máy phátĐộ trượt là âm vì rôto quay nhanh hơn tốc độ đồng bộĐộ trượt thường nhỏ hơn 1% với hệ hòa lướiTốc độ rôto điển hình17Bài giảng 8Trang trại gióKhảo sát trong hình 6.28 xét các dãy vuông, nhưng các dãy vuông không có ý nghĩa lắmCác dãy hình chữ nhật với một vài hàng dài sẽ tốt hơnKhoảng 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 hàngĐặt lệch các hàng là phổ biến18Bài giảng 8Điều chỉnh tốc độ tuabinCần thiết để có thể cắt bớt gió ở tốc độ gió caoHiệu suất rôto thay đổi ở các tỷ số tốc độ (TSR) khác nhau, và TSR là một hàm của tốc độ gióĐể duy trì TSR là hằng số, tốc độ cánh phải thay đổi khi tốc độ gió thay đổiThách thức ở đây là thiết kế máy có thể tạo ra tốc độ rôto thay đổi và tốc độ máy phát cố định19Bài giảng 8Hiệu suất theo tốc độ gió20Bài giảng 8Công suất phát ra theo tốc độ gió21Bài giảng 8Máy phát không đồng bộ thay đổi số cựcCó thể thay đổi số cực để thay đổi tốc độ làm việcMột máy phát 2 cực, 50 Hz, 3000 vòng/phút có thể chuyển thành 4 cực và 1500 vòng/phútCó thể thực hiện điều này bằng cách chuyển mạch bên ngoài và không cần thay đổi gì phía rôtoPhương pháp chung cho các động cơ gia dụng 2-3 tốc độ, như động cơ trong máy giặt và quạt hút22Bài giảng 8Máy phát không đồng bộ có độ trượt thay đổiCố ý thêm vào mạch rôto điện trở biến thiênĐiện 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 hơnGắn 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 nhiêu23Bài giảng 8Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MWTuabin 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 độLàm việc giữa 9 và 19 vòng/phút24Bài giảng 8Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW25Bài giảng 8Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW26Bài giảng 8Máy phát không đồng bộ nguồn képMột 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-ACĐiều 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 MW27Bài giảng 8Các ví dụ DFIG GE 1,5 MW và 3,6 MWTuabin GE 1,5 MW turbines bán chạy nhất ở Mỹ với 43% thị phần vào năm 200828Bài giảng 8Các hệ thống hòa lưới gián tiếpTuabin được phép quay ở tốc độ bất kỳTần 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 lướiXử lý tốt các thay đổi nhanh của tốc độ gió29Bài giảng 8Công suất gió trung bìnhChúng 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 vavg để tìm công suất gió trung bình30Bài giảng 8Công suất gió trung bìnhvi = tốc độ gió (km/h)Tỷ lệ thời gian gió ở tốc độ vi cũng là xác suất v = viĐây là tốc độ gió trung bình theo nghĩa thống kêGiá trị trung bình của v3 cũng được tìm theo cùng cách:31Bài giảng 8Ví dụ dữ liệu tốc độ gió thực32Bài giảng 8Ví dụ 6.9Dùng dữ liệu cho trong hình 6.22, tìm tốc độ gió trung bình và công suất gió trung bình (W/m2). Giả sử khối lượng riêng của không khí là 1,225 kg/m3. 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.33Bài giảng 8Hàm 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 134Bài giảng 8Hàm mật độ xác suất gióf(v) = hàm mật độ xác suất gióXác suất tốc độ gió nằm giữa hai giá trị:số giờ/năm tốc độ gió nằm giữa hai giá trị:35Bài giảng 8Tốc độ gió trung bình theo hàm mật độ xác suấtTương tự như (6.33), nhưng bây giờ chúng ta có một hàm liên tục thay vì một hàm rời rạcTương tự cho giá trị trung bình của (v3) discretecontinuouscontinuousdiscrete36Bài giảng 8Hàm mật độ xác suất WeibullĐiểm khởi đầu để lập đặc tính thống kê của tốc độ gió37Bài giảng 8Hàm mật độ xác suất RayleighĐây là hàm mật độ xác suất Weibull với k = 2Thường là điểm khởi đầu khi không biết gì về gió tại một nơi nào đóKhá 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 vavg và c:38Bài giảng 8Hàm mật độ xác suất RayleighTừ (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)39Bài giảng 8Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bìnhCó 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 (v3)avg Từ (6.40) và hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.45):Với một phân bố Rayleigh ta có40Bài giảng 8Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bìnhĐây là (v3)avg biểu diễn theo c, nhưng ta có thể dùng (6.44) để biểu diễn c theo vavgVậy ta có (v3)avg biểu diễn theo vavg :Với giả thiết Rayleigh, ta có thể biểu diễn (v3)avg theo vavg như trong (6.47), và biểu thức tính công suất gió trung bình chỉ làĐây là một kết quả quan trọng và có ích41Bài giảng 8Ví dụ 6.10Ước 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/m3.Giải:Hiệu chỉnh tốc độ tại 50 m:v50 = v10(H50/H10)a = 7,55 m/sTính công suất gió trung bình trên đơn vị diện tích42Bài giảng 8