intTypePromotion=1
ADSENSE

Một phương pháp điều khiển tốc độ Tuabin gió trục đứng

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

128
lượt xem
9
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhược điểm của tuabin gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của tuabin cũng thay đổi theo. Chúng ta có thể giữ cho tốc độ quay của tuabin ổn định bằng cách thay đổi góc cánh của tuabin, tức là thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh. Bài báo giới thiệu một phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin gió trục đứng bằng cách sử dụng động cơ một chiều để điều khiển và thay đổi góc cánh của tuabin.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Một phương pháp điều khiển tốc độ Tuabin gió trục đứng

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 /> VUW<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 />
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD


intNumView=128

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2