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

ió 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.
Hiệu suất của rôto
10Bài giảng 8
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 DTip-Speed-Ratio (TSR) = (6.27)
Wind speed 60v
pi×
=
• 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
11Bài giảng 8
Tỷ số tốc độ (TSR)
12Bài giảng 8
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?
13Bài giảng 8
Ví dụ 6.7
a. Tìm tốc độ rôto (vòng/phút) nếu nó có TSR bằng 4,0
Viết lại (6.27),
Ta cũng có thể biểu diễn thành vòng/giây:
Tip-Speed-Ratio (TSR) 60
rpm 
D
v
pi
⋅
=
4.0 60sec/min 14m/s
rpm = 26.7 rev/min 
40m/revpi
⋅ ⋅
=
⋅
26.7 rev/min
rpm = 0.445 rev/sec or 2.24 sec/rev
60 sec/min
=
14Bài giảng 8
Ví dụ 6.7
b. Tốc độ đầu cánh
Từ (6.27):
c. Tỷ lệ hộp số
rpm DRotor tip speed= 
60 sec/min
pi×
Rotor tip speed = (rev/sec) D pi×
Rotor tip speed = 0.445 rev/sec 40 m/rev = 55.92 m/spi⋅
Generator rpm 1800Gear Ratio = = = 67.4 
Rotor rpm 26.7
15Bài giảng 8
Ví dụ 6.7
d. Hiệu suất của toàn bộ tuabin (cánh, hộp số, máy phát) 
dưới các điều kiện này
Từ (6.4):
Hiệu suất toàn bộ:
( )3 2 31 1P A = 1.225 40 14 2112 kW
2 2 4W
v
piρ  = ⋅ = 
 
600 kW 28.4%
2112 kW
η = =
16Bài giảng 8
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
• Tốc độ gió làm cho máy phát quay nhanh hơn tốc độ đồng 
bộ
Figure 6.18. Single-phase, self-excited, induction generator 
17Bài giảng 8
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
(1 ) [1 ( 0.01)] 3600 3636 rpmR SN s N= − = − − ⋅ =
18Bài giảng 8
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
19Bài giảng 8
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
20Bài giảng 8
Hiệu suất theo tốc độ gió
21Bài giảng 8
Công suất phát ra theo tốc độ gió
22Bài giảng 8
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
23Bài giảng 8
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
24Bài giảng 8
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
25Bài giảng 8
Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW
26Bài giảng 8
Ví dụ độ trượt thay đổi: Vestas V80 1,8 MW
27Bài giảng 8
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
28Bài giảng 8
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
29Bài giảng 8
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
30Bài giảng 8
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:
• Đây là lý do chúng ta không thể dùng tốc độ gió trung bình 
vavg để tìm công suất gió trung bình
( )3 31 1 (6.29)2 2avg avgavgP Av A vρ ρ
 
= = 
 
[ ]
[ ]
hours@
miles of wind
 (6.32)
total hours hours@
i i
i
avg
i
i
v v
v
v
⋅
= =
∑
∑
31Bài giảng 8
Công suất gió trung bình
• vi = tốc độ gió (km/h)
• Tỷ lệ thời gian gió ở tốc độ vi cũng là xác suất v = vi
[ ]fraction of total hours@ (6.32)avg i i
i
v v v= ⋅∑
[ ]probability that = (6.33)avg i i
i
v v v v= ⋅∑
( ) [ ]3 3 probability that = (6.35)i iavg
i
v v v v= ⋅∑
• Đây là tốc độ gió trung bình theo nghĩa thống kê
• Giá trị trung bình của v3 cũng được tìm theo cùng cách:
32Bài giảng 8
Ví dụ dữ liệu tốc độ gió thực
33Bài giảng 8
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.
34Bài giảng 8
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
35Bài giảng 8
Hàm mật độ xác suất gió
• f(v) = hàm mật độ xác suất gió
• Xác suất tốc độ gió nằm giữa hai giá trị:
• số giờ/năm tốc độ gió nằm giữa hai giá trị:
( )
2
1
1 2 ( ) (6.36)
v
v
p v v v f v dv≤ ≤ = ∫
( )
0
0 ( ) = 1 (6.37)p v f v dv
∞
≤ ≤ ∞ = ∫
( )
2
1
1 2/ 8760 ( ) (6.38)
v
v
hrs yr v v v f v dv≤ ≤ = ⋅ ∫
36Bài giảng 8
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
• Tương tự cho giá trị trung bình của (v3) 
0
( ) (6.39)avgv v f v dv
∞
= ⋅∫
( ) = (6.33)avg i i
i
v v p v v= ⋅∑
( ) ( )3 3 = (6.35)i iavg
i
v v p v v= ⋅∑
( )3 3
0
( ) (6.40)
avg
v v f v dv
∞
= ⋅∫
discrete
continuous
continuous
discrete
37Bài giảng 8
Hàm mật độ xác suất Weibull
• Điểm khởi đầu để lập đặc tính thống kê của tốc độ gió
k-1
-
( ) e Weibull p.d.f. (6.41)
k
v
ck vf v
c c
 
 
  
= ⋅ 
 
0 5 10 15 20 25
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
38Bài giảng 8
Hàm mật độ xác suất Rayleigh
• Đây là hàm mật độ xác suất Weibull với k = 2
• 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:
2
-
2
2( ) e Rayleigh p.d.f. (6.42)
v
cvf v
c
 
 
 
= ⋅
0.886 (6.43)
2avg
v c c
pi
= ≅ ⋅
39Bài giảng 8
Hàm mật độ xác suất Rayleigh
• Từ (6.43), chúng ta có giải c theo v
• Rồi chúng ta có thể thay giá trị này của c vào hàm mật độ
xác suất Rayleigh (6.42)
2
=1.128 (6.44)avgc v v
pi
=
2
4
2( ) e Rayleigh p.d.f. (6.45)2
v
vvf v
v
pi
pi
 
−  
 
= ⋅
40Bài giảng 8
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)
• Để tìm công suất gió trung bình, chúng ta cần (v3)avg 
• Từ (6.40) và hàm mật độ xác suất Rayleigh (6.45):
• Với một phân bố Rayleigh ta có
( )3 3
0
( ) (6.40)
avg
v v f v dv
∞
= ⋅∫ 2
4
2( ) e (6.45)2
v
vvf v
v
pi
pi
 
−  
 
= ⋅
( )
2
3 3 34
2
0
3
e = c (6.46)
2 4
v
v
avg
v
v v dv
v
pi
pi
pi
 ∞
−  
 
= ⋅ ⋅∫
41Bài giảng 8
Thống kê Rayleigh – Công suất gió trung bình
• Đây là (v3)avg biểu diễn theo c, nhưng ta có thể dùng (6.44) 
để biểu diễn c theo vavg
• Vậy ta có (v3)avg biểu diễn theo vavg :
( ) ( ) ( )3 33 6 =1.91 (6.47)avg avgavgv v vpi=
• Với giả thiết Rayleigh, ta có thể biểu diễn (v3)avg theo vavg 
như trong (6.47), và biểu thức tính công suất gió trung bình 
chỉ là
• Đây là một kết quả quan trọng và có ích
( )36 1 (6.48)2avg avgP A vρpi= ⋅
42Bài giảng 8
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 α = 1/7, và mật độ không khí chuẩn ρ
= 1,225 kg/m3.
Giải:
• Hiệu chỉnh tốc độ tại 50 m:
v50 = v10(H50/H10)α = 7,55 m/s
• Tính công suất gió trung bình trên đơn vị diện tích
( ) 2 W/m504
2
16 3
== avgW vP ρpi