Tổng quan về Tuabin điện gió? Các loại tuabin phổ biến hiện nay

Bài viết nói đến những khái niệm cơ bản về tuabin điện gió. Giúp bạn có cài nhìn tổng quan về tubin điện gió.

Thành phần chính

1. Tháp
2. Nền tảng
3. Nacelle
4. Cánh quạt
5. Trung tâm
6. Máy biến áp (Đây không phải là một bộ phận của Tua bin gió)

Tháp và móng

Tòa tháp

Việc xây dựng tháp không chỉ mang trọng lượng của thanh nan và cánh quạt mà còn phải hấp thụ tải trọng tĩnh rất lớn do sức mạnh thay đổi của gió gây ra. Nói chung, một cấu trúc hình ống bằng bê tông hoặc thép được sử dụng. Một thay thế cho điều này là dạng tháp mạng tinh thể.

Tháp máy phát tuabin gió là thành phần chịu tải trọng cao. Các nan thường nặng vài trăm tấn và cũng có ứng suất từ các cánh quạt và lực từ gió.

Một tháp máy phát điện tuabin gió, chiếm 15 – 20% chi phí, đóng một vai trò quan trọng trong tính khả thi kinh tế của một dự án. Tuy nhiên, các tháp cao hơn cũng làm tăng lợi nhuận – chiều cao của tháp hoặc chiều cao trung tâm là một yếu tố quan trọng trong sản lượng năng lượng.

Theo quy định, độ cao nào phù hợp cho máy phát tuabin gió (WTG), phụ thuộc vào một số yếu tố (Ví dụ: Chi phí) và phải được quyết định riêng cho từng vị trí.

Các loại tháp

Các loại tháp sau đây có sẵn. Tuy nhiên, tháp bê tông và thép phổ biến hơn nhiều so với tháp lưới thép:

• Tháp thép thường bao gồm hai đến bốn phân đoạn.
• Tháp bê tông với ván khuôn leo được xây dựng tại chỗ và làm cho việc vận chuyển và lắp đặt dễ dàng hơn (được gọi là bê tông tại chỗ.) Nhưng phải hết sức cẩn thận khi ở độ cao đáng kể và vào mùa đông.
• Tháp bê tông đúc sẵn. Ở đây các phân đoạn được đặt chồng lên nhau tại chỗ và được giằng bằng cáp thép trong tường.
• Tháp lưới thép rất phổ biến ở Ấn Độ, nhưng cũng có thể được tìm thấy ở các nước khác, như ở Mỹ (các nhà máy phương Tây) và ở Đức.
• Tháp lai bao gồm các thành phần của các loại tháp nói trên.
• Guyed cực rất phổ biến trong các máy phát điện gió nhỏ, vì một mặt chúng nhẹ và mặt khác có thể được lắp đặt mà không cần cần trục.

Nền tảng

Để đảm bảo sự ổn định của tuabin gió, người ta sử dụng cọc hoặc nền phẳng, tùy thuộc vào độ chắc chắn của nền bên dưới. Nền móng neo tuabin gió với mặt đất.

Phần móng cố định máy phát điện gió vào lòng đất. Để đảm bảo sự ổn định của máy phát điện gió, móng cọc hoặc móng nông được xây dựng tùy thuộc vào mức độ ổn định của lớp đất dưới mặt đất.

• Móng tấm / móng nông: Đây là một tấm bê tông cốt thép lớn dưới đất tạo thành chân của máy phát điện. Nó là một trong những loại phấn nền được sử dụng phổ biến nhất. Trong móng cọc, các tấm móng (móng tấm) được cố định bằng cọc vào đất. Điều này đặc biệt cần thiết ở vùng đất mềm
• Cơ sở trọng lực thường được sử dụng và đặt dưới đáy biển. Ví dụ, trọng lượng nặng và ổn định đến mức chúng không cần cố định thêm vào đáy biển.
• Giá ba chân: Ở đây máy phát điện gió được đặt trên một giá ba chân. Các cọc bên dưới tháp được kết nối với một khung thép để phân phối lực của tháp lên ba cọc thép, mỗi cọc được cố định khoảng. Dưới đáy biển sâu 10 – 20 mét.
• Nền tảng xô: Điều này bao gồm một hình trụ bằng thép mở về phía dưới cùng đã đặt tên cho nó. Trước hết xi lanh được đặt dưới đáy biển và sau đó được bơm ra ngoài. Áp lực âm sinh ra bên trong móng ép móng xuống đất. Vật liệu ở đáy bên trong của hình trụ hỗ trợ nền móng và cố định nó vào đáy biển.
• Monopile: Đây là một cột buồm, một cọc thép có đường kính xấp xỉ. 4 mét, bị chìm xuống đáy biển. Tùy thuộc vào giường, lỗ đơn được điều khiển khoảng. Sâu 10 – 20 mét dưới đáy biển.

Cánh quạt và cánh quạt

Rotor

Roto là thành phần, với sự trợ giúp của các cánh quạt, chuyển đổi năng lượng trong gió thành chuyển động cơ học quay.

Hiện nay, roto ba cánh, trục ngang đang chiếm ưu thế. Các cánh quạt chủ yếu được làm bằng sợi thủy tinh hoặc sợi carbon gia cường nhựa (GRP, CFRP). Hình dạng lưỡi tương tự như của cánh máy bay. Chúng sử dụng cùng một nguyên tắc nâng: ở phía dưới của cánh máy bay đi qua không khí tạo ra áp suất cao hơn, trong khi phía trên tạo ra lực kéo. Các lực này làm cho rôto chuyển động tịnh tiến, tức là quay.

Cánh quạt

Cánh quạt rôto là một bộ phận quan trọng và cơ bản của tuabin gió. Các yêu cầu khác nhau được đặt ra trên chúng, và chúng phải chịu được tải trọng rất lớn.

Cánh quạt quay lấy năng lượng từ gió. Chúng “bắt” gió và chuyển đổi động lực của nó thành chuyển động quay của trung tâm. Biên dạng tương tự như của cánh máy bay. Cánh quạt roto sử dụng nguyên tắc “nâng” tương tự: bên dưới cánh, luồng không khí tạo ra quá áp; phía trên cánh, một chân không. Các lực này làm cho rôto quay.

Số lượng cánh quạt

Ngày nay, hầu hết các rôto có ba cánh quạt, một trục nằm ngang và đường kính từ 40 đến 90 mét. Ngoài rô to ba cánh phổ biến hiện nay, rô to hai cánh cũng thường được sử dụng phổ biến ngoài rô to có nhiều cánh, chẳng hạn như cối xay gió truyền thống với 20 đến 30 cánh kim loại bơm nước ở Hoa Kỳ.

Theo thời gian, người ta nhận thấy rằng cánh quạt ba cánh là hiệu quả nhất để phát điện bằng tuabin gió lớn. Ngoài ra, việc sử dụng ba cánh quạt cho phép phân bổ khối lượng tốt hơn, giúp quay mượt mà hơn và cũng mang lại vẻ ngoài “bình tĩnh” hơn.

Các cánh quạt chủ yếu bao gồm chất liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi thủy tinh và sợi carbon. Các lớp thường được dán với nhau bằng nhựa epoxy. Gỗ, epoxy gỗ và các hợp chất epoxy từ sợi gỗ ít được sử dụng rộng rãi hơn. Một trong những lợi ích chính của cánh quạt bằng gỗ là chúng có thể được tái chế. Hợp kim nhôm và thép nặng hơn và chịu mỏi vật liệu. Do đó, những vật liệu này thường chỉ được sử dụng cho các tuabin gió rất nhỏ.

Mỗi nhà sản xuất có các khái niệm về cánh quạt riêng và tiến hành nghiên cứu các thiết kế sáng tạo; có nhiều biến thể khá khác nhau. Mặc dù vậy, nói chung, tất cả các cánh quạt đều được cấu tạo tương tự như cánh máy bay.

Hub

Hub là tâm của rôto mà các cánh rôto được gắn vào. Gang hoặc thép đúc được sử dụng. Trung tâm hướng năng lượng từ các cánh rôto vào máy phát điện. Nếu tuabin gió có hộp số, trung tâm được kết nối với trục hộp số quay chậm, chuyển đổi năng lượng từ gió thành năng lượng quay. Nếu tuabin có bộ truyền động trực tiếp, trung tâm truyền năng lượng trực tiếp đến máy phát vòng.

Cánh rôto có thể được gắn vào trung tâm theo nhiều cách khác nhau: ở một vị trí cố định, có khớp nối hoặc như một con lắc. Loại thứ hai là một phiên bản đặc biệt của rôto hai cánh, xoay như một con lắc được neo vào trung tâm.

Hầu hết các nhà sản xuất hiện đang sử dụng trung tâm cố định. Nó đã được chứng minh là chắc chắn, giảm số lượng các thành phần di chuyển có thể bị hỏng và tương đối dễ dàng để xây dựng.

Kiểm soát nguồn điện

Công suất mà tuabin gió hấp thụ phải được kiểm soát. Nếu gió quá mạnh, hãy giảm công suất để tránh làm hỏng hệ thống. Về cơ bản có hai khái niệm về quy định quyền lực:

Kiểm soát gian hàng (điều tiết bằng cách tách dòng)

Các cánh quạt rôto có điều khiển ngừng hoạt động được gắn vào trung tâm ở một góc cố định. Hình dạng của cánh rôto được thiết kế để gây ra sự nhiễu loạn phía sau cánh rôto với một vận tốc gió cụ thể. Đồng thời, khi gió quá mạnh, máy phát điện không đồng bộ cũng hạn chế tự động phát điện. Nó hạn chế tốc độ của hệ thống với tần số của lưới điện, do đó cánh quạt không thể quay nhanh hơn khi gió thổi mạnh hơn. Trong khái niệm này, các cánh quạt được thiết kế để tạo ra sự phân tách dòng chảy ở một vận tốc gió nhất định (ngăn cản), công suất đầu vào bị giảm ngay cả khi các lưỡi dao không được làm phẳng.

Trong điều khiển ngừng hoạt động, cao độ của các cánh rôto cũng có thể được thay đổi. Hệ thống điều khiển này được sử dụng chủ yếu trong các tuabin gió lớn (> 1 MW). Khi gió quá mạnh, cánh quạt bị quay thành gió, nhiễu loạn ngày càng tăng.

Chế độ ngừng hoạt động cho phép điều chỉnh quyền lực chính xác hơn so với chế độ dừng thụ động.

Kiểm soát sân

Khái niệm điều khiển này được phát triển từ năm 1990 đến năm 2000. Tại đây, mỗi cánh quạt riêng lẻ có thể biến thành hoặc ra gió vô hạn. Truyền động để điều chỉnh cao độ là cơ khí (đối với hệ thống có công suất dưới 100 kW), thủy lực (bắt đầu từ 300 kW) hoặc điện (loại phổ biến nhất, đặc biệt đối với tuabin lớn> 500 kW). Một bộ điều khiển liên tục giám sát sản lượng điện của tuabin. Nếu gió quá mạnh, các cánh quạt quay ra khỏi gió dọc theo trục của chúng, thường chỉ bằng một phần nhỏ của mức độ.

Điều này làm giảm lực nâng, do đó cánh quạt tiếp tục tạo ra công suất ở công suất định mức ngay cả ở tốc độ gió lớn.

Nacelle

Các thành phần trong bộ truyền động

Hệ thống truyền động bao gồm các thành phần sau:

• Trục roto với bộ đệm
• Hộp số (tuabin truyền động trực tiếp không có)
• Phanh và khớp nối
• Máy phát điện.

Có nhiều cách để sắp xếp các thành phần và cách sắp xếp khác nhau giữa các nhà sản xuất. Các tổ chức chứng nhận có thông số kỹ thuật về mức độ tiếng ồn, phản ứng dao động và cấu hình tải cho các thành phần này. Các thông số kỹ thuật này rất quan trọng vì các thành phần này phải chịu tải trọng cực lớn.

Việc xây dựng các nan cho thấy nhà sản xuất đã quyết định đặt các bộ phận của bộ truyền động như thế nào (trục rôto với ổ trục, bộ truyền động, máy phát, khớp nối và phanh) phía trên ổ trục máy này.

Hộp số

Để đạt được tiềm năng thiết kế như là nhà cung cấp năng lượng thay thế đáng tin cậy, các hệ thống tuabin gió phải sử dụng các thành phần hiệu quả cao, đáng tin cậy và mạnh mẽ. Trong số các thành phần quan trọng nhất là hộp số; đặc biệt, hộp số hành tinh.

Hộp số chuyển đổi chuyển động của rôto từ 18-50 vòng / phút thành khoảng. 1.500 vòng / phút mà máy phát điện yêu cầu. Chuyển động quay của rôto tuabin được kết nối với máy phát điện thông qua hộp số đẩy, quá tốc, có tỷ số truyền phụ thuộc vào đường kính rôto (đường kính càng lớn thì tỷ số truyền càng cao).

Đặc biệt, hộp số phải tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng / phút (không đủ để sản sinh năng lượng điện) lên 1.500 vòng / phút. Thiết bị này thường có các bánh răng song song ở phía đầu vào và một giai đoạn bánh răng hành tinh ở phía đầu ra. Các hộp số là các đơn vị lắp trên trục với một cánh tay đòn kép.

Chúng được lựa chọn dựa trên yêu cầu về tuổi thọ liên tục 20 năm và thường được trang bị hệ thống làm mát bao gồm bộ lọc dầu và bộ phận tái chế dầu. Việc sử dụng thiết bị gắn trên trục mang lại một số lợi ích: nó giúp loại bỏ chi phí và sự phức tạp của các khớp nối, và cả thời gian và lao động liên quan đến việc đảm bảo sự ăn khớp chính xác của hộp số và thiết bị mà nó đang truyền động. Ngoài ra, bộ truyền động trực tiếp được cung cấp bằng cách lắp trục tránh được tải trọng hướng tâm do bố trí bộ truyền động xích. Do đó, hộp số đảm nhận nhiệm vụ phù hợp với tốc độ quay của rôto chuyển động chậm và máy phát điện chuyển động nhanh, và thường có một số bước để đáp ứng các điều kiện gió khác nhau. Nếu sử dụng máy phát vòng nhiều cực được phát triển đặc biệt thì không cần hộp số nữa (nhà sản xuất tuabin truyền động trực tiếp được biết đến nhiều nhất: ENERCON).

Việc áp dụng các hộp số hành tinh cho tất cả các khu vực hoạt động chính của tuabin gió là kết quả của một số yếu tố. Thứ nhất, các đoàn tàu bánh răng hành tinh có thể cung cấp tỷ lệ giảm cao trong các gói nhỏ và truyền mô-men xoắn gấp nhiều lần các đơn vị bánh răng thông thường, có kích thước tương tự. Thứ hai, chúng nhỏ gọn và nhẹ, và yêu cầu ít không gian lắp đặt. Thứ ba, bộ truyền động hành tinh có hiệu suất lên đến 98% và quan trọng là có thể cung cấp tốc độ cực thấp mà không làm giảm hiệu suất.
Cuối cùng, có cơ sở thiết kế mô-đun, dựa trên tế bào chu kỳ, để cung cấp nhiều đơn vị giảm thiểu siêu phức tạp. Ưu điểm của cách sắp xếp này đối với nhà thiết kế là gấp đôi. Các giai đoạn hành tinh có thể được kết hợp để phù hợp với mô-men xoắn đang tăng được truyền qua hộp số. Chúng cũng có thể được lắp ráp để cung cấp tỷ lệ giảm ngay trên quy mô: đến giá trị 15.000: 1 nếu được yêu cầu.

Máy phát điện

Máy phát điện trong tuabin gió chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.

Đối với tuabin gió công suất lớn, máy phát điện không đồng bộ cấp nguồn kép được sử dụng thường xuyên nhất. Ở đây, tốc độ quay hoạt động có thể thay đổi đôi chút, không giống như khi sử dụng máy phát điện không đồng bộ thông thường. Một khái niệm khác sử dụng máy phát điện đồng bộ. Kết nối lưới của máy phát điện đồng bộ chỉ có thể thực hiện được thông qua máy biến áp, do hành vi quay cố định. Nhược điểm của việc yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp được khắc phục bằng hiệu quả tổng thể và khả năng tương thích lưới điện tốt hơn.

Nói chung, có sự phân biệt giữa máy phát điện không đồng bộ và máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện không đồng bộ được sử dụng thường xuyên nhất; chúng cho phép đồng bộ hóa với lưới điện và rất mạnh mẽ và ít bảo trì. Tuy nhiên, máy phát điện đồng bộ cũng được sử dụng vì chúng hiệu quả hơn. Máy phát điện đồng bộ có thể được kết nối trực tiếp với lưới điện, hoặc có thể sử dụng biến tần. Nhưng họ yêu cầu thiết bị bổ sung để đồng bộ với lưới điện. Tất cả các máy phát điện phải được làm mát.

Thông thường, quạt thông gió được sử dụng để làm mát không khí. Đôi khi, làm mát bằng nước cũng được sử dụng. Máy phát điện vòng nhiều cực chạy chậm không có hộp số như đã nói ở trên.

Khớp nối và phanh

Khớp nối

Bởi vì mô-men xoắn cực lớn, khớp nối giữa trục chính và bộ truyền lực là một thanh cứng. Loại phanh phụ thuộc vào cơ chế điều khiển các lưỡi dao.

Phanh

Nói chung có hai loại phanh: hệ thống phanh khí động học và hệ thống cơ khí. Các hướng dẫn chứng nhận của Germanic Lloyd quy định rằng phải sử dụng hai hệ thống phanh độc lập: phanh khí động học (các đầu của lưỡi cắt có thể được điều chỉnh hoặc có thể điều chỉnh toàn bộ cánh quạt) và một phanh khác. Phanh sau thường là phanh đĩa cơ trong hầu hết các tuabin gió. Loại phanh này được sử dụng chủ yếu khi phanh khí động bị hỏng hoặc tuabin đang được sửa chữa.

Loại phanh cơ được sử dụng phụ thuộc vào cách điều khiển công suất. Trong các tuabin có điều khiển dừng, phanh cơ phải lấy tất cả năng lượng của rôto và động cơ của máy phát trong trường hợp khẩn cấp; do đó phanh này phải có hiệu suất rất cao. Ngược lại, phanh cơ được sử dụng trong tuabin có cánh quạt điều khiển theo bước có thể nhỏ hơn.

Thiết bị điện tử

Thiết bị điện tử của tuabin gió bao gồm máy phát điện, hệ thống cung cấp điện vào lưới và các cảm biến khác nhau.

Thiết bị điện của máy phát điện gió có thể được chia thành máy phát điện, giải thích ở chỗ khác, thành hệ thống cung cấp điện vào lưới điện và các cảm biến để điều khiển và giám sát máy phát điện.

Hệ thống cấp điện vào lưới

Hệ thống cấp điện vào lưới điện phụ thuộc vào máy phát điện được sử dụng: phần lớn máy phát điện gió hiện đại loại megawatt sử dụng máy phát điện cảm ứng không đồng bộ nối lưới chạy với tốc độ gần như không đổi và đấu nối trực tiếp vào lưới điện. Điều này có nghĩa là bộ chỉnh lưu hoặc bộ biến tần là không cần thiết.

Trong tuabin biến tốc có máy phát điện đồng bộ, dòng điện xoay chiều được tạo ra biến động không ngừng về tần số và số lượng. Để điện năng đưa vào lưới, nó được biến đổi thành dòng điện một chiều bằng cách sử dụngchỉnh lưu, được lọc và sau đó chuyển đổi trở lại thành dòng điện xoay chiều bằng cách sử dụng biến tần.

Trong cả hai loại máy phát điện, điện áp sau đó được chuyển đổi để kết nối với mức của lưới điện bằng cách sử dụng máy biến áp và máy phát điện gió và một thiết bị đo lường được kết nối với lưới điện truyền tải.

Các thành phần khác

Theo dõi hướng gió

Mục đích của các thành phần này là biến cánh quạt của tuabin thành gió ở một góc tối ưu. Nói chung, thông tin do trạm thời tiết đo được dùng để xác định hướng gió.
Nói chung, có sự phân biệt giữa hệ thống thụ động và hệ thống chủ động trong tuabin gió trục ngang (HAWT):

Hệ thống thụ động không cần ổ điện yaw. Tua bin có cánh quạt ở phía sau tháp (gió xuôi) tự động theo gió, trong khi tuabin gió ngược có cánh quạt thời tiết.

Cánh gạt thời tiết là bộ phận nổi tiếng của cối xay gió được sử dụng trong lịch sử ở Hoa Kỳ để bơm nước; ở đây, hướng gió được xác định theo một kiểu rất đơn giản. Các tải bổ sung và các lực xảy ra khi hướng gió thay đổi đột ngột có nghĩa là hệ thống theo dõi gió thụ động chỉ được sử dụng với các tuabin gió có đường kính cánh quạt không vượt quá khoảng. 10 mét.

Các hệ thống đang hoạt động. Các hệ thống này được sử dụng cả trên cánh quạt quay ngược chiều và xuôi gió. Ở đây, một ổ đĩa (chủ động) quay trục quay trên tháp. Hệ thống hoạt động như vậy (“hoa hồng”) đã được sử dụng vào cuối thế kỷ 18 trong các cối xay gió ở Hà Lan.

Ngày nay, động cơ phương vị (còn được gọi là truyền động yaw) được sử dụng phổ biến nhất, đơn lẻ hoặc nhiều động cơ cùng một lúc. Một cánh gió thời tiết trên nan cung cấp thông tin về phương vị. Các động cơ nằm trên vòng phương vị, vòng này sẽ trượt trục quay vào vị trí tối ưu của nó khi được điều khiển bởi các động cơ.

Làm mát và sưởi ấm

Làm mát

Nhiệt độ bên trong một nan có thể khá cao do nhiệt thải từ hộp số và máy phát điện. Do đó, các quạt thông gió đặc biệt được lắp đặt trong ống gió để giữ cho nó luôn mát mẻ. Ngoài ra, thường có các bộ làm mát đặc biệt cho các bộ phận riêng lẻ của tuabin gió, chẳng hạn như hộp số.

Sưởi

Trong mùa đông, nhiệt độ thường xuống dưới mức đóng băng nơi các tuabin gió được thiết lập. Khi dầu trong hộp số bị đóng băng, rất khó để hệ thống hoạt động trở lại sau một thời gian bất động. Vì vậy, máy sưởi thường được sử dụng để làm nóng dầu trong hộp số.

Ngoài ra, các cánh quạt cũng được làm nóng để tránh cho chúng bị đóng băng hoặc bị hỏng do nước ngưng tụ.

Cuối cùng, các thiết bị đo gió và cánh gạt thời tiết cũng phải được làm nóng ở các vùng lạnh để tránh chúng bị trục trặc và làm hỏng tuabin.

Bảo vệ làm sáng

Tua bin gió là cấu trúc cao thường lộ ra ngoài và do đó dễ bị ánh sáng chiếu vào. Tia sáng thường đánh vào các đầu của cánh quạt.

Các giải pháp sau có sẵn để hấp thụ ánh sáng:

• Đĩa kim loại tròn được gọi là “bộ phận tiếp nhận” ở đầu của cánh rôto,
• Nhiều bộ phận tiếp nhận dọc theo lưỡi
• Dao, đầu lưỡi bằng nhôm

Sau đó, dòng điện được truyền dọc theo bên trong cánh quạt dọc theo các dây dẫn kim loại và sau đó đi qua các nan trước khi được dẫn xuống tháp tới mỏ neo trên mặt đất. Đặc biệt những vùng nhạy cảm càng tránh xa.

Cần trục và thang máy

Hầu hết các tuabin gió đều có các tời để vận chuyển các phụ tùng và công cụ nhỏ vào ống dẫn. Bên trong cần trục, cần trục xoay và cần trục giàn được sử dụng.

Bình chữa cháy

Bình chữa cháy cũng được cung cấp trong các tuabin gió để chống lại bất kỳ đám cháy nào có thể xảy ra trong phần cứng hoặc thiết bị điện tử. Thông thường, bình chữa cháy là bình thủ công, nhưng hệ thống phát hiện và dập lửa tự động cũng được sử dụng

Tổng hợp