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

ppt 42 trang ngocly 18/05/2021 1180
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 3: Năng lượng gió (Phần 2) - Nguyễn Quang Nam", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_nang_luong_tai_tao_chuong_3_nang_luong_gio_phan_2.ppt

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 3: Năng lượng gió (Phần 2) - Nguyễn Quang Nam

  1. 408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng 8 1
  2. 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
  3. 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
  4. Công suất nhận được từ cánh 1 22 Pbd=− m( v v ) (6.18) 2 • 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
  5. 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= 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: vv+ d vv+ d vb = mA= 2 2 Bài giảng 8 5
  6. Công suất nhận được từ cánh • Vậy (6.18) trở thành 1 vv+ d 22 Pbd=− A ( v v ) (6.20) 22 • Định nghĩa v  = d (6.21) v • Viết lại (6.20) thành 1 vv+  2 2 2 Pb =−  A ( v v ) (6.22) 22 11 32 Pb = Av (1 + )( 1 −  ) (6.22) 22 PW = Công suất gió CP = Hiệu suất rôto Bài giảng 8 6
  7. Hiệu suất cực đại của rôto • Tìm tỷ số tốc độ gió để hiệu suất của rôto đạt cực đại, CP • Từ slide trước đó 1123   2 CP =(1 +)( 1 − ) = - + - 2 2 2 2 2 Gán đạo hàm của hiệu suất bằng 0, và giải theo : C P =32 + 2 − 1 = 0  C 1 P =( 3− 1)( + 1) = 0  =  3 sẽ cho hiệu suất rôto cực đại Bài giảng 8 7
  8. Hiệu suất cực đại của rôto • Thay giá trị tối ưu của  vào CP để tìm hiệu suất cực đại của rôto: 1 1 1 16 CP = 1 + 1 −2 = = 59.3% (6.26) 2 3 3 27 • 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
  9. 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
  10. 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 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
  11. Tỷ số tốc độ (TSR) Bài giảng 8 11
  12. 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
  13. 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= D 4.0 60sec/min 14m/s rpm= = 26.7 rev/min 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
  14. Ví dụ 6.7 b. Tốc độ đầu cánh Từ (6.27): rpm D Rotor tip speed= 60 sec/min Rotor tip speed = (rev/sec) D Rotor tip speed = 0.445 rev/sec 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
  15. Ví dụ 6.7 d. Hiệu suất của toàn bộ tuabin (cánh, hộp số, máy phát) dưới các điều kiện này Từ (6.4): 113 2 3 PW = Av = ( 1.225)  40 14 = 2112 kW 2 2 4 Hiệu suất toàn bộ: 600 kW  ==28.4% 2112 kW Bài giảng 8 15
  16. 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
  17. 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 NRS=(1 − s ) N = [1 − ( − 0.01)]  3600 = 3636 rpm Bài giảng 8 17
  18. 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
  19. 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
  20. Hiệu suất theo tốc độ gió Bài giảng 8 20
  21. Công suất phát ra theo tốc độ gió Bài giảng 8 21
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW Bài giảng 8 25
  26. Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW Bài giảng 8 26
  27. 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 Bài giảng 8 27
  28. 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 Bài giảng 8 28
  29. 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 Bài giảng 8 29
  30. 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: 11 P== Av33 A v (6.29) avg ( )avg 22avg • Đây là lý do chúng ta không thể dùng tốc độ gió trung bình vavg để tìm công suất gió trung bình vviihours@  miles of wind i vavg == (6.32) total hours hours@vi  i Bài giảng 8 30
  31. Công suất gió trung bình vavg= v ifraction of total hours@ v i  (6.32) i • vi = tốc độ gió (km/h) • Tỷ lệ thời gian gió ở tốc độ vi cũng là xác suất v = vi vavg= v iprobability that v = v i  (6.33) i • Đây là tốc độ gió trung bình theo nghĩa thống kê • Giá trị trung bình của v3 cũng được tìm theo cùng cách: v33= vprobability that v = v (6.35) ( )avg  ii  i Bài giảng 8 31
  32. Ví dụ dữ liệu tốc độ gió thực Bài giảng 8 32
  33. 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/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. Bài giảng 8 33
  34. 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 Bài giảng 8 34
  35. Hàm mật độ xác suất gió • f(v) = hàm mật độ xác suất gió • Xác suất tốc độ gió nằm giữa hai giá trị: v2 p v v v = f( v ) dv (6.36) ( 12) v1 p(0 v ) = f ( v ) dv = 1 (6.37) 0 • số giờ/năm tốc độ gió nằm giữa hai giá trị: v2 hrs/ yr v v v = 8760  f ( v ) dv (6.38) ( 12) v1 Bài giảng 8 35
  36. 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 vavg= v i p( v = v i ) (6.33) i discrete v= v f( v ) dv (6.39) avg 0 continuous • Tương tự cho giá trị trung bình của (v3) v33= v p v = v (6.35) ( )avg  ii( ) i discrete v33= v f( v ) dv (6.40) ( )avg 0 continuous Bài giảng 8 36
  37. Hàm mật độ xác suất Weibull • Điểm khởi đầu để lập đặc tính thống kê của tốc độ gió k k-1 v - kv c fv( )= e Weibull p.d.f. (6.41) cc 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 5 10 15 20 25 Bài giảng 8 37
  38. Hàm mật độ xác suất Rayleigh • Đây là hàm mật độ xác suất Weibull với k = 2 2 v 2v - fv( )= e c Rayleigh p.d.f. (6.42) c2 • 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 vavg và c: v= c 0.886  c (6.43) avg 2 Bài giảng 8 38
  39. Hàm mật độ xác suất Rayleigh • Từ (6.43), chúng ta có giải c theo v 2 c= v=1.128 v (6.44) avg • Rồi chúng ta có thể thay giá trị này của c vào hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.42) 2 v v − fv( )= e4 v Rayleigh p.d.f. (6.45) 2v 2 Bài giảng 8 39
  40. 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) 3 • Để tìm công suất gió trung bình, chúng ta cần (v )avg • Từ (6.40) và hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.45): 33 v= v f( v ) dv (6.40) 2 ( )avg v 0 v − fv( )= e4 v (6.45) 2v 2 • Với một phân bố Rayleigh ta có 2 v v − 3 v3= v 3  e4 v dv = c 3 (6.46) ( )avg 2 0 24v Bài giảng 8 40
  41. Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bình 3 • Đây là (v )avg biểu diễn theo c, nhưng ta có thể dùng (6.44) để biểu diễn c theo vavg 3 • Vậy ta có (v )avg biểu diễn theo vavg : 3 6 33 (v) = ( vavg) =1.91( v avg ) (6.47) avg 3 • Với giả thiết Rayleigh, ta có thể biểu diễn (v )avg theo vavg như trong (6.47), và biểu thức tính công suất gió trung bình chỉ là 61 3 Pavg= A( v avg ) (6.48) 2 • Đây là một kết quả quan trọng và có ích Bài giảng 8 41
  42. 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 = 1,225 kg/m3. Giải: • Hiệu chỉnh tốc độ tại 50 m: a v50 = v10(H50/H10) = 7,55 m/s • Tính công suất gió trung bình trên đơn vị diện tích 6 1 P = (v )3 = 504 W/m2 W 2 avg Bài giảng 8 42