MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG SỨC GIÓ (WIND ENERGY CONVERTER)

I. Cấu tạo và hoạt động:+Tìm hiểu chung:Tua bin gió là thiết bị chuyển động năng trong gió thành năng lượng cơ học. nếu năng lượng này được sử dụng trực tiếp thì nó được gọi là cối xay gió, còn nếu năng lượng này được chuyển đổi thành điện năng thì nó được gọi là máy phát điện dùng sức gió (WEC).Người ta thường phân loại WEC ra thành 2 loại dựa theo cấu tạo của nó:+WEC trục dọc: là loại máy phát có trục quay chính của roto chạy theo chiều dọc.*Ưu điểm: Do cấu tạo của nó nên các thiết bị có thể đặt đưới mặt đất không cần có tháp để đỡ máy phát, bộ phận bánh răng,…; không cần cơ cấu phụ để hướng hệ thống theo chiều gió.*Nhược điểm: tốc độ quay chậm do nhiễu loạn gió ở gần mặt đất và khó đóng tua bin vào tháp đỡ.Chính vì các khuyết điểm đó nên loại này ít được sử dung hơn loại trục ngang.

+WEC trục ngang: là loại máy có trục quay tua bin hướng theo phương ngang. WEC trục ngang chia thành 2 loại downwind và upwind.Trong thực tế loại WEC upwind được sử dụng phổ biến hơn

downwind turbin

upwind turbin

+Một WEC điển hình có cấu tạo như sau:

- Roto là các cánh quạt (loại thông dụng là loại 3 cánh quạt), công nghệ mới roto có thể điều chỉnh góc quay bằng hệ thống điều khiển- Trục quay chính được gắn thẳng vào roto.

- Bộ phận bánh răng dùng để tăng tốc cho trục quay phụ (với công nghệ mới có thể loại bỏ bộ phận này làm giảm đáng kể chi phí và trọng lượng máy).- Trục quay phụ này gắn vào roto 1 máy phát điện (thường là nam châm vĩnh cửu) tạo ra dòng điện.- Vỏ bọc để bao bọc kết cấu của máy, phần đuôi có gắn 1 bộ cảm biến để đo tốc độ gió và đuôi để điều chỉnh hướng cho WEC. Vỏ bọc này kết nối với tháp đỡ thông qua hệ thống vòng trục bi giúp máy tự do điều chỉnh hướng.- Bộ phận phanh giảm tốc thường kết hợp với bộ phận cảm biến và hệ thống điều khiển (thường ít sử dụng trong máy nhỏ) dùng để giảm tốc roto.- Bộ phận máy phát điện một cách tổng quát chia làm 2 loại: loại máy phát điện cảm ứng 2 nguồn nuôi (DFI: rất thông dụng trước đây) và máy phát đồng bộ dùng nam châm vĩnh cửu (PMS: mới phát triển trong thời gian gần đây). +Nguyên tắc hoạt động:Gió thổi làm cho các cánh quạt quay -> quay trục -> đi qua bộ phận bánh răng làm tăng tốc cho roto máy phát điện -> tạo dòng AC. Đối với các WEC lớn để bảo vệ hệ thống khi có gió lớn, người ta gắn thêm bộ phận cảm biến tốc độ gió. Kết quả thu được sẽ được đưa vào hệ thống điều khiển xử lý để điều chỉnh góc quay của các cánh quạt giúp máy hoạt động tối ưu khi có gió nhỏ hoặc làm chậm chuyển dộng roto khi có gió lớn đồng thời kích hoạt hệ thống phanh kìm hãm chuyển động roto, truyền năng lượng dư thừa xuống đường tải dump load tránh gây hư hỏng cho thiết bị. Phanh cũng rất hữu ích khi cần dừng thiết bị để bảo quản hoặc sửa chữa. Tuy nhiên nếu tình huống mất liên kết trên đường dây tải dump load xảy ra hệ thống phanh này sẽ không hoạt động -> vô cùng nguy hiểm. Một phương pháp kiểm soát khi gió mạnh an toàn hơn là chế độ tự động cuộn lại để làm trục máy chệch hướng gió -> đẩy trục roto chệch góc với chiều gió thổi nên nhận ít năng lượng từ gió hơn -> bảo đảm an toàn cho hệ thống. Phương án này hoạt động theo cơ chế khí động lực nên tiện lợi, đơn giản và an toàn hơn dùng phanh.

Tiêu chuẩn để phân biệt máy phát điện dùng sức gió DC hay AC là đầu ra output của nó.

1. Máy phát điện DC (máy phát điện nhỏ):Dòng điện sinh ra ban đầu của tuabin gió luôn là dòng AC với biên độ và tần số không ổn đinh nên không thể trực tiếp sử dụng ngay mà cần phải chuyển đổi nó.Đối với máy phát DC, dòng điện thô này qua cầu chỉnh lưu 6 diod thành dòng DC được đưa vào sạc pin DC thông qua 1 hệ thống điều khiển charge cotroller. Khi pin đầy hệ thống điều khiển này sẽ đưa dòng điện dư thừa để dùng cho các tiện ích đơn giản khác như làm sáng đèn, truyền vào dump load để sưởi ấm phòng hoặc đun nước. Tuỳ vào mục đích sử dụng pin DC này có thể chuyển thành AC sử dụng được thông qua máy biến dòng DC-AC.Lưu ý đối với cách lắp đặt này cần có thêm 1 diod bán dẫn để ngăn không cho máy phát hoạt động ngược lại ở chế độ động cơ (pin sạc quay ngược lại cấp điện cho cánh quạt quay).

1 turbine & tower 2 charge controller 3 regulator 4 fuse boxes 5 dump load resister 6 battery 7 Inverter (optional, for AC appliances) 8 electrical socket

Dump load

Charge controller

*Nhược điểm của phương thức hoạt động này là phức tạp và tổn hao năng lượng khi chuyển đổi nó thành các dòng điện khác nhau: chuyển AC không ổn định thành dòng DC rồi lại chuyển lại thành dòng AC sử dụng cho sinh hoạt. Tuy nhiên với hệ thống hoạt động cách này phần tuabin có thể tự do quay ở bất kỳ tốc độ nào, đồng thời có thể lưu trữ điện trong trường hợp mất điện hoặc khi không có gió thổi.

2. Máy phát điện AC:Dòng điện thô khi ra khỏi tua bin gió sẽ được đưa vào máy biến tần biến nó thành dòng thích hợp để cấp cho hệ thống.

Đối với các máy phát công suất lớn dùng cấp điện sinh hoạt cho hệ thống truyền tải của cả 1 khu vực thì có thêm máy biến thế để truyền tải đi xa.Ngoài ra với công nghệ hiện nay thay vì dùng máy phát điện AC đơn giản người ta dùng máy phát điện FPC (full power converter) tạo dòng đồng bộ 60Hz chuyển thẳng lên hệ thống lưới điện.

*Ưu điểm của phương thức hoạt đông này là không cần trải qua công đoạn chuyển năng lượng để sạc pin DC (pin này rất tốn kém) nên đỡ phức tạp hơn và ít tốn chi phí hơn. Tuy nhiên lắp đặt theo cách này (đối với máy phát nhỏ dùng cho hộ gia đình) khi mất điện WEC cũng sẽ ngưng hoạt động do nó không có đủ công suất để cấp điện cho cả 1 hệ thống đường dây tải. Tối ưu nhất là kết hợp sử dụng cùng lúc 2 phương thức trên.

II. ỨNG DỤNG:

- 1876, MPD gió ra đời bắt đầu được nông dân ở Úc sau đó là ở Mỹ sử dụng để bơm nước và tạo điện hoạt động với tốc độ thấp và có momen xoắn lớn. 1 số có thể tạo dòng 1 chiều để sạc pin và chiếu sáng hoặc chạy máy thu thanh.- Tua bin gió có nhiều cỡ và kích thước tỉ lệ thuận với năng lượng nó phát ra. Loại lớn có chiều dài cánh quạt dài hơn 1 sân bóng đá và chiều cao cỡ 1 toà nhà 20 tầng có thể cấp điện cho 1.400 hộ gia đình. Loại sử dụng gia đình có roto có đường kính 8 đến 25 feet và trụ đỡ có chiều cao 30 feet có thể cấp điện cho tất cả các dụng cụ điện trong nhà hoặc trong 1 công xưởng nhỏ.- Trước đây, loại 4 hoặc nhiều cánh quạt được sử dụng ở vùng nông thôn Châu âu để xay ngũ cốc. Ở Hà Lan thường sử dụng để bơm nước từ vùng đất thấp và để tát khô những vùng ngập nước.

Ngày nay, xã hội đang phải đối mặt với những vấn đề cấp bách như ô nhiễm môi trường và cạn kiệt tài nguyên nên việc khai thác năng lượng gió là cần thiết như 1 nguồn năng lượng thay thế. Ở Châu Âu, xu hướng sử dụng nguồn năng lượng sạch này ở các hộ gia đình đang phát triển - vừa giúp làm sạch môi trường, tiết kiệm nhiên liệu đồng thời có thể làm giảm phí điện mà họ phải trả hàng tháng; thâm chí các công ty sản xuất điện còn trả tiền cho các hộ gia đình sử dụng các WEC tại nhà có nối với hệ thống lưới điện khi kim đồng hồ điện quay ngược lại (điều đó có nghĩa là WEC của hộ gia đình đó sản xuất nhiều hơn mức họ tiêu thụ và lượng điện dư ra đó dùng cung cấp cho các hộ gia đình lân cận).Các máy phát điện dùng sức gió loại nhỏ (dùng tại nhà) thường kết hợp sử dụng với nguồn pin mặt trời để đưa đến hiệu quả tối ưu (có thể bù đắp năng lượng khi gió thổi không đủ mạnh):

- Ở các nước phát triển hiện nay đã xây dựng thành công các trang trại gió trên biển (đáng chú ý nhất là máy phát điện sức gió kiểu nổi đầu tiên trên thế giới “Hywind” vừa được xây dựng ở biển Bắc gần bờ biển Nauy) – nơi có nguồn tài nguyên gió bất tận cung cấp điện tiêu thụ cho hàng ngàn hộ dân. Việt Nam đang khởi công nhà máy phát điện bằng sức gió đầu tiên: khi đưa vào vận hành toàn bộ, nhà máy sẽ sản xuất linh kiện để cấu thành các sản phẩm hoàn thiện. Ước tính, mỗi năm nhà máy sẽ sản xuất khoảng 10 nghìn tấn sản phẩm.

Hình ảnh các WEC với công nghệ mới hiện nay khắc phục được các nhược

điểm của máy phát điện sức gió trước đây và tạo ra hiệu suất hoạt động cao hơn:

Tham khảo từ: http://www.wsetech.comhttp://www.solarnavigator.nethttp://www.mdpub.comhttp://www.homepower.comhttp://www.controleng.comhttp://youtube.com