Lại Khắc Lãi và cs<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
59(11): 42 - 45<br />
<br />
MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN GIÓ TRỤC ĐỨNG<br />
Lại Khắc Lãi, Nguyễn Văn Huỳnh<br />
Đại học Thái nguyên, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Nhược điểm của tuabin gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của tuabin cũng thay<br />
đổi theo. Chúng ta có thể giữ cho tốc độ quay của tuabin ổn định bằng cách thay đổi góc<br />
cánh của tuabin, tức là thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh. Bài báo giới thiệu<br />
một phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin gió trục đứng bằng cách sử dụng<br />
động cơ một chiều để điều khiển và thay đổi góc cánh của tuabin.<br />
Từ khóa: Tuabin gió trục đứng.<br />
<br />
<br />
<br />
ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
<br />
Loài người đã biết sử dụng năng lượng<br />
gió từ rất lâu, nhưng ở mức độ hạn chế.<br />
Ngày nay các nước vùng ôn đới và hàn<br />
đới đã quan tâm đến nguồn năng lượng<br />
gió và đã có những thành quả tốt, đặc<br />
biệt trong việc sản xuất ra các máy phát<br />
điện sức gió công suất lớn, để hòa vào<br />
hệ thống điện quốc gia.<br />
Máy phát điện sức gió công suất lớn đòi<br />
hỏi phải có hệ thống điều tốc tốt, đảm<br />
bảo tốc độ quay của trục tuabin nằm<br />
trong giới hạn quy định. Hiện nay, thường<br />
dùng phương pháp thay đổi góc cánh<br />
tuabin, điều chỉnh diện tích bề mặt hứng<br />
gió của cánh tuabin để ổn định tốc độ.<br />
Với máy phát điện sức gió công suất nhỏ,<br />
việc thay đổi góc cánh thường hay dùng<br />
phương pháp ly tâm của khối lượng quay<br />
[6],[9]. Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc<br />
độ quay của tuabin thay đổi, lực ly tâm<br />
của vật quay cũng thay đổi. Nếu gió lớn,<br />
vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác<br />
dụng lên cơ cấu xoay cánh tuabin làm<br />
<br />
<br />
Lại Khắc Lãi, Tel:0913507464<br />
Email: laikhaclai@gmail.com<br />
<br />
giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến<br />
hạn chế mức độ tăng tốc độ quay của<br />
tuabin. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm<br />
xuống, cánh tuabin tự xoay dần về vị trí<br />
ban đầu, để duy trì tốc độ quay của<br />
tuabin trong phạm vi cho phép. Với máy<br />
phát điện sức gió công suất lớn, thường<br />
dùng kết cấu cơ khí như hệ thống cam<br />
để điều chỉnh góc cánh [6]. Kết cấu máy<br />
sử dụng lực ly tâm và hệ thống cam để<br />
thay đổi góc cánh tuabin như vậy tương<br />
đối đơn giản, nhưng có nhược điểm là<br />
điều khiển đồng thời các cánh của tuabin<br />
và do là các kết cấu cơ khí nên đáp ứng<br />
chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp,<br />
khoảng biến thiên tốc độ quay của tuabin<br />
quá lớn.<br />
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất<br />
phương pháp dùng động cơ điện để thay<br />
đổi góc cánh nhằm điều khiển và ổn định<br />
tốc độ của của tuabin gió trục đứng.<br />
Nguyên lý làm việc của hệ thống như<br />
sau: Đặt cho trục tuabin gió một giới hạn<br />
tốc độ cho phép; khi tốc độ gió lớn hơn<br />
quy định, trục tuabin sẽ quay nhanh hơn,<br />
bộ phận cảm biến nhận được tín hiệu,<br />
chuyển đến bộ điều khiển, bộ điều khiển<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.Lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Lại Khắc Lãi và cs<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
so sánh với tốc độ quay quy định, phát<br />
tín hiệu đến động cơ, động cơ xoay cánh<br />
tuabin một góc để giảm bề mặt hứng gió;<br />
khi tốc độ gió giảm, động cơ sẽ xoay<br />
cánh quay trở lại. Bằng cách này, do sử<br />
dụng bộ điều khiển bằng điện nên đáp<br />
ứng nhanh, tốc độ quay của trục tuabin<br />
được điều chỉnh kịp thời, rút ngắn đáng<br />
kể khoảng dao động tốc độ quay của<br />
tuabin.<br />
CƠ SỞ LÝ THUYẾT<br />
Việc biến đổi năng lượng gió tuân theo<br />
những nguyên lý cơ bản về khả năng sử<br />
dụng gió và khả năng tối ưu của các<br />
tuabin.<br />
Đặt tuabin gió trong dòng chảy của không<br />
khí, khi không khí đến gần tuabin bị ứ lại,<br />
áp suất dòng chảy tăng lên và vận tốc<br />
giảm, đến khi dòng chảy chạm vào mặt<br />
tuabin trao cho tuabin năng lượng. Dòng<br />
chảy phía sau tuabin bị nhiễu xoáy, gây<br />
bởi chuyển động của tuabin và sự tác<br />
động với các dòng không khí xung<br />
quanh. Về nguyên tắc, dòng chảy phải<br />
được duy trì. Do đó, năng lượng tuabin<br />
thu nhận được bị hạn chế. Trong trường<br />
hợp toàn bộ năng lượng gió được tuabin<br />
thu nhận, thì vận tốc gió đằng sau tuabin<br />
sẽ bằng không. Muốn cho dòng chảy<br />
được cân bằng giữa khối lượng và vận<br />
tốc, năng lượng chảy qua tuabin phải bị<br />
mất mát. Đối với hệ tối ưu, số phần trăm<br />
cực đại của năng lượng gió có thể thu<br />
nhận được tính theo công thức do Carl<br />
Betz đưa ra năm 1927 :<br />
Pmax<br />
Ar<br />
<br />
0,593<br />
<br />
V03<br />
2<br />
<br />
Trong đó : P là mật độ năng lượng<br />
<br />
Ar là diện tích quét của cánh tuabin<br />
<br />
V0<br />
<br />
là vận tộc gió ban đầu - Mật độ năng<br />
<br />
lượng trên một đơn vị thể tích dòng chảy<br />
không khí.<br />
<br />
59(11): 42 - 45<br />
<br />
Số 0,593 được gọi là giới hạn Betz hoặc hệ<br />
số Betz.<br />
Bằng phương pháp phân tích đơn giản<br />
về động lực học đối với tuabin gió tìm<br />
được hệ số công suất cực đại của nó là<br />
16/27 tức là 59,3%. Điều này đã được<br />
Betz chứng minh (1927). Hiển nhiên đây<br />
là trường hợp số cánh vô hạn (trở lực<br />
bằng không) là điều kiện của một tuabin<br />
gió lý tưởng. Trong thực tế có 3 nhân tố<br />
làm giảm nhỏ hệ số công suất cực đại:<br />
1- Phía sau tuabin gió tồn tại dòng xoáy;<br />
2- Số cánh của tuabin gió là có hạn;<br />
3- Tỷ số Cd/Cl không bằng 0.<br />
Với Cl là hệ số nâng, Cd là hệ số cản.<br />
Cl <br />
<br />
Fd<br />
Fl<br />
; Cd <br />
1<br />
1 2<br />
V 2 A<br />
V A<br />
2<br />
2<br />
<br />
trong đó:<br />
- mật độ không khí (kg/m3);<br />
V - vận tốc dòng không khí (gió) không bị<br />
nhiễu loạn (m/s);<br />
A - Diện tích hình chiếu của cánh (diện tích<br />
hứng gió) (m2).<br />
Fl - Lực nâng (N).<br />
Fd - Lực cản (N).<br />
<br />
Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt<br />
hứng gió của cánh tuabin, thì hiệu suất<br />
sử dụng năng lượng gió của tuabin thay<br />
đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên cánh<br />
làm quay tuabin. Khi tốc độ gió tăng,<br />
năng lượng gió tăng lên, nhưng công<br />
suất trên trục tuabin hầu như không tăng<br />
lên.<br />
Hệ thống thiết bị khai thác năng lượng<br />
gió rất khác nhau về kích thước, hình<br />
dạng và dạng năng lượng cuối cùng<br />
nhận được. Nói chung hệ thống thiết bị<br />
khai thác năng lượng gió có các phần: Bộ<br />
góp sức gió, chuyển động sơ cấp, thiết bị<br />
sản sinh năng lượng cuối cùng.<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.Lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Lại Khắc Lãi và cs<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Hệ thống máy phát điện sức gió, dạng<br />
năng lượng cuối cùng là điện năng; bộ<br />
góp gió là tuabin gió; chuyển động sơ<br />
cấp là chuyển động quay tròn của trục<br />
tuabin; thiết bị sản sinh điện năng là máy<br />
phát điện. Để máy phát điện hoạt động<br />
tốt, có thể hoà được vào lưới điện quốc<br />
gia, chuyển động sơ cấp - chuyển động<br />
quay tròn của trục tuabin phải có tốc độ<br />
quay hợp lý và ít thay đổi.<br />
<br />
Với biên dạng cánh là phẳng thì thành<br />
phần W sẽ gây ra lực cản Fd còn thành<br />
phần U sẽ gây ra lực nâng cánh Fl, chỉ<br />
có thành phần Fl mới có tác dụng gây ra<br />
chuyển động của cánh.<br />
Ta phân tích U thành hai thành phần:<br />
<br />
U Uhd Uht<br />
Với: - Uhd là tốc độ theo phương tiếp tuyến;<br />
<br />
3. Xác định góc cánh điều khiển của<br />
tuabin gió trục đứng.<br />
Xét tuabin gió trục đứng gồm 5 cánh có<br />
biên dạng phẳng hình chữ nhật. Bài toán<br />
điều khiển đặt ra ở đây là trong quá trình<br />
tuabin làm việc cần phải liên tục thay đổi<br />
góc cánh của mỗi cánh sao cho phù hợp<br />
với vị trí của chúng đồng thời tương ứng<br />
với công suất đặt của tuabin.<br />
Để xác định góc cánh điều khiển ta đi<br />
phân tích động lực học của cánh gió<br />
tuabin ở một vị trí bất kỳ như hình 1:<br />
<br />
59(11): 42 - 45<br />
<br />
- U ht là tốc độ theo phương hướng tâm.<br />
<br />
Thành phần theo phương hương tâm gây<br />
ra lực hướng tâm trên cánh, thành phần<br />
theo phương tiếp tuyến gây ra lực có tác<br />
dụng làm cánh chuyển động và ta gọi đó<br />
là lực hiêu dụng Fhd. Ta có:<br />
<br />
Fdh <br />
<br />
1<br />
C hd AU 2hd<br />
2<br />
<br />
trong đó:<br />
- mật độ không khí (kg/m3);<br />
Uhd - vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến (m/s)<br />
A - Diện tích của cánh gió (diện tích hứng gió)<br />
(m2).<br />
<br />
Chd – Hệ số lực hiệu dụng.<br />
<br />
Hình 1. Động lực học cánh gió ở một vị trí bất<br />
kỳ<br />
<br />
Trong đó:<br />
- là góc định vị ở tâm, là góc cánh (đại<br />
lượng cần điều khiển), là góc tới<br />
V là<br />
tốc độ gió. Giả thiết tốc độ gió tác động<br />
vào cánh tuabin là V , ta phân tích nó<br />
thành hai thành phần, một thành phần<br />
song song với mặt cánh là W , một thành<br />
phần vuông góc với mặt cánh là U<br />
<br />
VUW<br />
<br />
Theo lý thuyết tối ưu về hiệu suất biến<br />
đổi năng lượng gió thì ở một vị trí xác<br />
định ( xác định) giá trị Fhd phải đạt giá trị<br />
là lớn nhất Fhdmax và từ biểu thức của Fhd<br />
ta thấy Fhd đạt giá trị là lớn nhất khi Uhd<br />
đạt giá tri lớn nhất.<br />
Từ hình 2 ta có: U Vsin ;<br />
Uhd Ucos Vsin .cos<br />
Với: 90<br />
<br />
0<br />
<br />
U hd Vsin .cos <br />
Vsin( 900 ).cos Vcos( ).cos<br />
V<br />
U hd [cos(2 ) cos]<br />
2<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.Lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Lại Khắc Lãi và cs<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Khi xác định thì Uhd đạt giá trị lớn nhất<br />
khi<br />
cos(2 - ) = 1 <br />
<br />
<br />
2<br />
<br />
59(11): 42 - 45<br />
<br />
Như vậy lực Fhd sẽ được ổn định và tốc<br />
độ của tuabin cũng được ổn định. Sơ đồ<br />
khối của hệ thống được biểu diễn trên<br />
hình 3.<br />
<br />
Từ mối quan hệ giữa góc cánh và góc<br />
định vị ta có thể xác định được góc<br />
cánh điều khiển ở bất kỳ vị trí nào của<br />
cánh.<br />
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống<br />
<br />
Sau đây ta xác định góc cánh điều khiển<br />
của một cánh của tuabin ở 10 vị trí như<br />
sau:<br />
Góc<br />
định vị <br />
(độ)<br />
<br />
0<br />
<br />
36<br />
<br />
72<br />
<br />
108<br />
<br />
14<br />
4<br />
<br />
180<br />
<br />
Góc<br />
cánh ĐK<br />
(độ)<br />
<br />
0<br />
<br />
18<br />
<br />
36<br />
<br />
54<br />
<br />
72<br />
<br />
90<br />
<br />
Góc định<br />
vị (độ)<br />
<br />
216<br />
<br />
252<br />
<br />
288<br />
<br />
324<br />
<br />
360<br />
<br />
Góc<br />
cánh ĐK<br />
(độ)<br />
<br />
108<br />
<br />
126<br />
<br />
144<br />
<br />
162<br />
<br />
180<br />
<br />
Hình 4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống<br />
<br />
Trong đó:<br />
+ BĐK- Bộ điều khiển<br />
+ ĐKGC- Hệ thống điều khiển góc cánh<br />
của tuabin gió trục đứng. Trong đó có 5<br />
hệ thống điều khiển vị trí để điều khiển<br />
góc cánh của 5 cánh gió một cách độc<br />
lập nhau.<br />
<br />
Hình 2. Cánh gió ở 10 vị trí khác nhau<br />
<br />
Với các cánh còn lại của tuabin ta cũng<br />
điều khiển góc cánh tương tự như vậy<br />
khi ở các vị trí tương ứng.<br />
Góc cánh ở trên ứng với tốc độ gió bằng<br />
tốc độ gió định mức V = V0, trong trường<br />
hợp tốc độ gió lớn hơn tốc độ gió V > V0,<br />
<br />
Hình 5. Kết quả mô phỏng khi K=0.2;<br />
K= 0.6 với giá trị đặt không đổi<br />
<br />
ta thấy:<br />
cos(2 ) 1 <br />
<br />
<br />
2<br />
<br />
+ Đối với khối tuabin thì tín hiệu vào là<br />
góc cánh điều khiển của 5 cánh gió và<br />
nhiễu tác động làm thay đổi tốc độ quay<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.Lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Lại Khắc Lãi và cs<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
của tuabin ở đây là tốc độ gió, tín hiệu ra<br />
của tuabin là tốc độ quay. Như vậy:<br />
n K(1 2 3 4 5 )<br />
với K = f(v) thay đổi phụ thuộc vào tốc độ<br />
gió; 1, 2, 3, 4, 5 là góc điều khiển của<br />
5 cánh tuabin. Sơ đồ mô phỏng hệ thống<br />
với bộ điều khiển PID kinh điển được<br />
biểu diễn trên hình 4. Các giá trị đặt khác<br />
nhau.<br />
<br />
59(11): 42 - 45<br />
<br />
[2]. Nguyễn Thương Ngô (1998), Lý thuyết điều<br />
<br />
khiển tự động hiện đại, Nxb khoa học và kỹ thuật,<br />
Hà Nội.<br />
[3]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán<br />
Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển phi<br />
tuyến, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội<br />
[4]. Thomas Ackerman (2005), Wind Power in<br />
Power Systems.<br />
[5]. Sandra Eriksson (2008), Direct Driven<br />
Generators forVertical Axis Wind Turbines.<br />
[6]. Désiré Le Gouriérès (1982), Wind power<br />
plants – Theory and Desig.<br />
[7]. Morten H. Hansen, Anca Hansen, Torben J.<br />
Larsen, Stig Øye,Poul Sørensen and Peter<br />
uglsang (2005), Control design for a pitchregulated, variable speed wind turbine<br />
[8]. Gary L. Johnson (2001), Wind energy<br />
systems.<br />
[9]. Erich Hau Springer (2005), Wind turbine.<br />
Springer (1997), Wind Energy.<br />
<br />
Hình 6. Kết quả mô phỏng khi K=0.2;K= 0.6<br />
với giá trị đặt thay đổi<br />
<br />
Ta tiến hành chạy chạy mô phỏng với<br />
các giá trị nhiễu của tốc độ gió (K) khác<br />
nhau. Các kết quả mô phỏng được chỉ ra<br />
trên các hình 5và hình 6. Trong đó hình 5<br />
cho trường hợp giá trị đặt không thay đổi,<br />
hình 6 ứng với<br />
KẾT LUẬN<br />
Từ kết quả mô phỏng ta thấy khi tốc độ<br />
gió thay đổi thì tốc độ của tuabin vẫn giữ<br />
được ổn định và bám sát với giá trị đặt<br />
thông qua sự thay đổi của góc cánh<br />
tuabin. Tuy nhiên khi tốc độ gió thay đổi<br />
quá lớn và ngẫu nhiên thì bộ điều khiển<br />
PID kinh điển không đáp ứng được yêu<br />
cầu chất lượng mà cần phải sử dụng các<br />
bộ điều khiển thông minh được xây dựng<br />
trên cơ sở của lý thuyết điều khiển hiện<br />
đại.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Nguyễn Văn May (2005), Bơm, quạt, máy nén,<br />
Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.Lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
