Luận văn Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

h turbine quay. Hầu hết là theo trục ngang (HAWT) nhưng cũng có một số cánh quay quanh trục đứng (VAWT). Hình 2.4 cho thấy một số ví dụ của hai loại này. 33 Hình 2. 4. Một số Turbine gió điển hình (a),(b) hoặc máy điện xuôi gió (c) Các turbine gió trục đứng Chỉ máy điện trục đứng rotor Darrieus là có thành công về thương mại và được đặt tên theo nhà phát minh người Pháp - kỹ sư G.M. Darrieus phát triển các turbine những năm 1920. Hình dạng của các cánh tạo nên bởi việc giữ một sợi dây cáp ở cả hai đầu và quay nó quanh 1 trục đứng. Sự phát triển của các turbine này, bao gồm 500kW, đường kính máy 34m, được thực hiện trong những năm 1980 bởi các phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Mỹ. Một công ty Mỹ, FloWind, sản xuất và lắp đặt một số turbine gió này trước khi thương mại hóa vào năm 1997. Ưu điểm thứ nhất của máy điện trục dọc như rotor Darrieus là chúng không cần bất kỳ loại điều khiển lắc ngang nào để giữ chúng đúng với hướng gió. Ưu điểm thứ hai là phần nặng nhất của máy (chứa thân máy bao bọc phát điện, hộp số và các phần tử cơ khí khác) có thể được trên nền đất để cso thể dễ dàng sửa chữa. Khi phần tử nặng nhất không được đặt trên đỉnh tháp, bản thân tháp không cần thiết phải có cấu trúc khỏe như HAWT. Tháp có thể nhẹ hơn nữa khi các dây cáp néo được sử dụng (tốt cho các tháp đặt trên nền đất nhưng không tốt cho việc lắp đặt ngoài biển). Các cánh của rotor Darrieus, 34 khi chúng quay tròn, hầu như luôn luôn ở trạng thái kéo hoàn toàn, điều này có nghĩa là chúng có thể có trọng lượng nhẹ và rẻ hơn bởi vì chúng không phải giữ sự linh động với các cánh trên trục ngang của máy. Có một số nhược điểm của turbine trục đứng, đầu tiên là các cánh của chúng khá gần mặt đất nên tốc độ gió thấp hơn. Công suất gió tăng lên theo vận tốc khối vì vậy có thể xem xét nên để các cánh cao hơn tương ứng với tốc độ gió cao hơn. Gió gần mặt đất không chỉ chậm hơn mà còn hỗn loạn hơn có thể làm tăng nhiễu với các turbine VAWT. Cuối cùng, tốc độ gió chậm thì các rotor Darrieus có ít lực xoắn; ở tốc độ gió cao hơn, khi công suất đầu ra phải được điều khiển để bảo vệ máy phát, chúng không thể được chế tạo để vượt quá mức gió dễ dàng như các cánh điều khiển ăn khớp trên HAWT. Trong khi hầu hết các turbine gió là dạng trục ngang, vẫn có một số tranh luận xem turbine gió đặt cao hay thấp là tốt hơn. Đặt thấp có ưu điểm là tự gió sẽ điều khiển lắc ngang (hướng trái-phải) vì vậy nó tự định hướng theo tự nhiên một cách chính xác theo hướng gió. Chúng có chút vấn đề về các hiệu ứng màn che của tháp. Mỗi khi một cánh quay phía sau tháp, nó gặp phải vấn đề suy giảm sức gió có thể làm cho cánh uốn cong. Sự uốn cong này không chỉ có thể dẫn tới hỏng cánh vì liên quan đến sức bền vật liệu, và cũng làm tăng độ ồn cánh và giảm công suất đầu ra. Việc đặt turbine cao hơn, mặt khác yêu cầu hệ thống điều khiển lắc ngang phức tạp để giữ các cánh đối diện với hướng gió. Turbine đặt cao hơn hoạt động êm hơn và nhận được nhiều công suất hơn. Hầu hết các turbine gió hiện đại đều là loại đặt cao. Yếu tố thiết kế nền tảng được lựa chọn cho turbine gió có liên quan đến số lượng các cánh quay. Có thể hầu hết họ turbine với đa số mọi người là nhiều cánh như máy bơm nước chong chóng như vẫn thường nhìn thấy ở trên các cánh đồng. Các máy này khá khác nhau từ thiết kế đế phát điện. Với máy 35 bơm nước, máy chong chóng phải cung cấp lực xoắn khởi đầu lớn để khắc phục trọng lượng và lực ma sát của cần bơm để di chuyển lên hoặc xuống. Chúng cũng phải hoạt động ở tốc độ gió thấp để đủ cung cấp cho máy bơm nước liên tục trong năm. Thiết kế nhiều cánh sẽ làm cho diện tích tiếp xúc với gió nhằm thu được cả lực xoắn lớn và tốc độ thấp. Turbine gió với nhiều cánh hoạt động với tốc độ quay chậm hơn nhiều so với loại ít cánh. Khi rpm của turbine tăng lên, luồng xoáy được tạo nên bởi một cánh ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh mà nó cuốn theo. Khi số cánh ít hơn, turbine có thể quay nhanh hơn trước khi nhiễu này trở nên quá nhiều. Và trục quay nhanh hơn có nghĩa là máy phát có thể có kích thước nhỏ hơn. Hầu hết các turbine gió châu Âu hiện đại có 3 cánh rotor trong khi các turbine của Mỹ lại hướng tới chỉ có 2 cánh. Turbine 3 cánh vận hành êm ái hơn bởi vì xung động của nhiễu tháp và sự biến thiên của tốc độ gió tăng dần theo độ cao được truyền từ rotor tới trụ chuyển động. Chúng cũng yên tĩnh hơn. Cánh thứ 3 cũng làm tăng chi phí và trọng lượng của turbine. Rotor 3 cánh cũng khó nâng lên cao để ghép với thân trong quá trình xây dựng hoặc thay thế cánh. 2.2.3. Tính toán công suất của gió Xét 1 khối gió với trọng lượng m chuyển động với tốc độ v. Năng lượng động học K.E được cho bởi mối quan hệ sau: (2.1) 2 2 1 . mvEK  36 Khi công suất là năng lượng tính trong mỗi đơn vị thời gian, công suất được biểu diễn theo khối lượng không khí với vận tốc v qua diện tích A được tính như sau: Khối lượng dòng lưu thông định mức là . m , chạy qua diện tích A, là hàm phụ thuộc mật độ không khí , tốc độ v và diện tích mặt cắt A: (2.2) Kết hợp hai công thức trên ta có: P = 3 2 1 A (2.3) Trong hệ đơn vị S.I: - P là công suất gió (watt), -  là mật độ không khí (kg/m3 ở 150C và 1 atm, =1,225 kg/m3), - A là diện tích mặt cắt mà gió chạy qua (m2), - v là tốc độ gió chuyển qua A (m/s) (1 m/s = 2,237 mph). Đồ thị của P và bảng các giá trị được cho trên hình 2.5. Chú ý rằng công suất được tính trên mỗi m2 mặt cắt, một số lượng mà được gọi là công suất đặc biệt hay mật độ công suất. Khối lượng qua A Thời gian = Am  Công suất chạy qua diện tích A = năng lượng thời gian khối lượng thời gian 2 1  ( )v2 37 Hình 2. 5. Công suất gió trên mỗi m2 diện tích mặt cắt ở 150 và 1 atm Chú ý rằng công suất gió tăng theo mũ 3 của tốc độ gió. Điều này có nghĩa là khi tốc độ gió tăng gấp đôi thì công suất tăng gấp 8 lần. Nhìn từ khía cạnh khác thì năng lượng tính trong 1 giờ tại 20mph gió sẽ tương đương với tính trong 8h tại 10mph và cũng tương đương với tính trong 64 giờ (hơn 2,5 ngày) ở 5mph gió. Chúng ta sẽ thấy rằng hầu hết các turbine không hoạt động ở tốc độ gió thấp và (2.3) nhắc ta rằng tổn thất năng lượng có thể bỏ qua được. Phương trình (2.3) cũng chỉ ra rằng công suất gió tỉ lệ với diện tích quét của rotor turbine. Với turbine trục ngang, diện tích A=(/4)D2, vì vậy công suất gió tỉ lệ với bình phương đường kính cánh. Đường kính tăng gấp đôi thì công suất tăng gấp 4. Chi phí của turbine tăng theo tỉ lệ đường kính trong khi công suất tỉ lệ với bình phương đường kính, vì vậy máy càng lớn càng có hiệu hơn về chi phí. Diện tích quyét của trục dọc rotor Darrieus phức tạp hơn một chút. Tính xấp xỉ khoảng 2/3 diện tích của một hình chữ nhật với bề rộng bằng 38 chiều rộng rotor lớn nhất và chiều dài tính theo chiều dọc tới các cánh như hình 2.6 Hình 2. 6. Xấp xỉ diện tích của rotor Darrieus Mối quan hệ phi tuyến đã biết giữa công suất và gió, chúng ta không thể chỉ sử dụng tốc độ gió trung bình trong phương trình (2.3) để dự đoán tổng năng lượng gió hữu ích như ví dụ minh họa dưới đây. Ví dụ 2.1. Không sử dụng tốc độ gió trung bình so sánh năng lượng tại 15 0C, áp suất 1 atm chứa trong 1m2 trong các trường hợp sau: a. 100 giờ tại tốc độ gió 6m/s (13,4mph) b. 50 giờ tại 3m/s kết hợp 50 giờ tại 9m/s (trung bình tốc độ gió là 6m/s) Giải: a. Với tốc độ gió ổn định 6m/s, chúng ta có năng lượng xác định từ (6.4) như sau: Năng lượng (6 m/s) = WhhsmmmkgtA 230,13100.)/6.(1./1225. 2 1 2 1 3233  (2.4) b. với 50 giờ tại 9m/s chứa: Năng lượng (3 m/s) =   Whhsmmmkg 82750./3.1./1225. 2 1 323  (2.5) và 50 giờ tại 9m/s chứa 39 Năng lượng (9 m/s) = Whhsmmmkg 326,2250.)/9(.1./1225. 2 1 323  (2.6) Tổng là: 827 + 22,326 =23,152 Wh Ví dụ 2.1 phản ánh sự không chính xác của việc sử dụng tốc độ gió trung bình trong phương trình (2.3). Trong khi cả hai tốc độ gió này đều là tốc độ gió trung bình giống nhau, kết hợp của 9m/s và 3m/s (trung bình 6m/s) tạo nên nhiều năng lượng hơn tốc độ gió trung bình 6m/s khoảng 75%. 2.2.4. Máy phát điện turbine gió Chức năng của các cánh là để chuyển động năng của gió thành công suất quay trên trục để quay máy phát và tạo ra điện năng. Máy phát bao gồm 1 rotor quay quanh 1 stator. Điện năng được tạo ra khi dây dẫn có điện trường đi qua, cắt ngang qua dây dẫn và phát điện dòng áp. Với công suất nhỏ, các turbine nạp ắc quy sử dụng máy phát dc, các máy phát kết nối lưới sử dụng máy phát ac. 2.2.4.1. Các máy phát đồng bộ Các máy phát đồng bộ được quay ở tốc độ cho trước được xác định bởi 1 số cực và tần số theo yêu cầu. Điện trường của chúng được tạo ra trên rotor. Trong khi các máy phát đồng bộ cỡ nhỏ có thể tạo nên điện trường cần thiết với rotor nam châm vĩnh cửu, hầu hết các turbine gió sử dụng các máy phát phát đồng bộ tạo nên điện trường bằng cách chạy trực tiếp dòng điện qua cuộn dây quấn quanh lõi rotor. Thực tế rằng rotor máy phát đồng bộ cần dòng điện 1 chiều cho từ trường liên hệ giữa các phần. Đầu tiên, dc phải được cung cấp từ mạch chỉnh lưu, được xem như phần kích từ, cần thiết để chuyển ac từ lưới điện thành dc cho rotor. Thứ hai, dòng điện dc này cần để tạo nên sự quay rotor thông qua chổi chan. Phải duy trì việc thay thế chổi than và vệ sinh cổ góp cho các máy 40 phát đồng bộ. Hình 2.7 cho thấy một hệ thống cơ bản cho 1 turbine gió với 1 máy phát đồng bộ, chú ý rằng máy phát và các cánh được kết nối với nhau thông qua 1 hộp số để điều chỉnh tốc độ khi cần thiết. Dòng điện một chiều cho cuộn dây rotor, các cổ góp và chổi than để truyền dòng điện từ rotor vào bộ kích từ. Hình 2. 7. Máy phát đồng bộ 3 pha 2.2.4.2. Máy phát không đồng bộ cảm ứng Hầu hết các turbine gió trên thế giới sử dụng các máy phát cảm ứng nhiều hơn các máy đồng bộ. Ngược với 1 máy phát đồng bộ (hoặc motor), các máy phát cảm ứng không quay ở 1 tốc độ cố định, vì vậy chúng thường được mô tả như các máy phát không đồng bộ. Trong khi các máy phát cảm ứng không phổ biến trong hệ thống điện, motor cảm ứng đa số là motor tròn – chiếm đến gần như 1/3 tất cả điện năng toàn thế giới. Thực tế, 1 máy điện cảm ứng có thể hoạt động như 1 motor hoặc máy phát, phụ thuộc vào việc lắp đặt để phát điện hay tiêu thụ điện. Khi là 1 rotor , rotor quay chậm hơn một chút so với tốc độ đồng bộ được thiết lập bởi từ trường cuộn dây và cố gắng bắt kịp với công suất trên trục quay. Khi là 1 máy phát, các cánh turbine quay rotor nhanh hơn 1 chút so với tốc độ đồng bộ và năng lượng được gửi tới các cuộn dây stator. 41 Ưu điểm chính của các máy phát không đồng bộ cảm ứng là các rotor không yêu cầu kích từ, chổi than và cổ góp như máy phát đồng bộ. Chúng thực hiện việc bằng bằng cách tạo nên điện trường cần thiết trên stator. Điều này có nghĩa là chúng ít phức tạp hơn và rẻ hơn và yêu cầu bảo dưỡng ít hơn. Các máy phát cảm ứng cũng tốt hơn với các thiết bị cơ khí trong quá trình vận hành. Điện trường quay : Để hiểu về cách 1 máy phát điện hoặc 1 motor làm việc, chugns ta cần phải giới thiệu về mô hình điện trường quay. Bắt đầu bằng cách tưởng tượng cuộn dây đặt trong stator của máy điện 3 pha như hình 2.13 Hình 2. 8. Cách đặt tên cho stator của máy phát điện cảm Trong đó, dòng điện dương chạy từ A đến A’ tạo nên từ thông A được biểu diễn bởi 1 mũi tên đậm hướng xuống dưới. Dòng điện âm (từ A’ đến A) tạo nên từ thông được biểu diễn bởi mũi tên nét đứt hướng lên trên các cuộn dây này bao gồm các cuộn dây bằng đồng quấn theo chiều dài của stator từ trong ra ngoài. Chúng ta sẽ công nhận rằng dòng điện dương trong pha nào thì sẽ chạy từ cực này đến cực khác (ví dụ iA chạy từ A đến A’). Khi dòng điện trong 1 pha là dương, tạo nên điện trường được vẽ mũi tên đậm ; khi nó là âm, biểu thị bởi 1 mũi tên nét đứt. Và nhớ quy ước mũi tên : “+” từ cuối ở cuối cuộn dây có nghĩa là dòng điện chạy vào, trong khi 1 dấu chấm nghĩa là dòng điện chạy ra. 42 Xét điện trường tạo nên bởi các dòng điện 3 pha chạy qua stator. Trong hình 2.9a, đồng hộ dừng ở t=0, tại điểm iA đạt đến giá trị dương cực đại và iB, iC đạt âm và bằng biên độ. Luồng điện trường cho mỗi pha của dòng điện 3 pha đã được chỉ ra, tổng của chúng là 1 mũi tên hướng xuống. Hình 2. 9. Mô hình máy phát điện cảm ứng Hình (a) Ở t = 0, iA đạt cực đại dương trong khi iB và iC đều âm và bằng nhau. Vector tổng của từ thông hướng thẳng xuống dưới; Hình (b) Ở t=/3, các vector từ thông quay 600 theo chiều thuận của kim đồng hồ, sau đó, dừng đồng hồ ở t=/3 = 600. bây giờ iA=iB và đều dương trong khi iC đạt giá trị âm cực đại như hình 2.9b. Tổng của chúng quay 1 góc 60 0. Chúng ta có thể tiếp tục thực hiện tăng giá trị t và xét tiếp kết quả đến hết vòng tròn. Đây là 1 mô hình quan trọng cho máy phát điện cảm: với các dòng điện 3 pha chạy qua stator, 1 điện trường quay được tạo nên bên trong máy phát. Điện trường quay ở tốc độ đồng bộ NS được xác định bởi tần 43 số của dòng điện f và số cực p. Đó là NS=120f/p như trường hợp 1 máy phát đồng bộ. Rotor lồng sóc: Một máyphát điện cảm 3 pha phải được cung cấp từ với dòng điện xoay chiều 3 pha chạy qua stator, tạo nên điện trường quay mô tả ở trên. Rotor của nhiều máy phát điện cảm (và rotor) bao gồm một số thanh bằng đồng hoặc nhôm được gắn cùng nhau ở các đầu mút, tạo nên 1 cái lồng trông giống lồng nuôi động vật gặm nhấm. Chúng được gọi là rotor lồng sóc nhưng bây giờ chúng chỉ được gọi là rotor lồng. Lồng được bao bọc trong 1 lõi kim loại bao gồm các lá thép cách nhau 0,5mm. Các lá thép là để điều khiển tổn thất dòng điện xoáy 9xem mục 1.8.2). Hình 2.10 chỉ ra mối quan hệ cơ bản giữa stator và rotor được xem như 1 cặp điện trường (trong stator) quay quanh lồng (rotor). Hình 2. 10. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn dày nối các đầu với nhau được bao quanh nó một điện trường quay Để hiểu về sự quay điện trường stator tác động đến lồng rotor, xem hình 2.11a. 44 Hình 2. 11. Mô tả nguyên lý máy phát Hình (a) điện trường stator di chuyển hướng sang phải trong khi cuộn dẫn rotor lồng sóc là cố định. Hình (b) Điều này tương đương với điện trường stator là cố định trong khi cuộn dẫn di chuyển sang trái, cắt đường từ thông. Cuộn dẫn tạo nên 1 lực là cho rotor bắt nhịp được với điện trường quay của stator điện trường quay stator hướng sang phải, trong khi cuộn dẫn trong lồng rotor là cố định. Nhìn từ khía cạnh khác, từ trường stator có thể được xem như cố định và quan hệ với nó, cuộn dẫn xuất hiện sang trái, cắt qua day dẫn của luồng điện trường như hình 2.11b. Định luật Faraday về điện trường cảm ứng cứ khi dây dẫn cắt qua, 1 emf sẽ phát triển dọc theo dây dẫn và có dòng điện chạy qua nó. Thực tế, rotor lồng có các thanh dẫn dày với điện trở rất nhỏ, vì vậy dòng điện chạy qua rất dễ dạng. Dòng điện rotor đó được gọi là iR trên hình 2.11b sẽ tạo nên bản thân nó điện trường ôm bao quanh dây dẫn. Điện trường của rotor sẽ tương tác với điện trường stator, tạo nên 1 lực lái lồng dây sang phải. Nói cách khác, rotor quay theo cùng hướng mà stator quay. Máy điện cảm ứng như 1 motor: Bởi vì dễ hiểu 1 motor cảm ứng hơn 1 máy phát cảm ứng, chúng ta sẽ bắt đầu với nó. Điện trường quay trong stator của máy điện cảm ứng gây nên rotor để quay cùng hướng. Đó là, máy điện là motor – một motor điện cảm. Chú ý rằng không có những mối liên hệ 45 về điện với rotor; không có cổ góp hoặc chổi than. Khi rotor tiếp cận tốc độ đồng bộ của điện trường quay, liên hệ hướng giữa chúng trở nên nhỏ hơn và ít lực hơn tác động vào rotor. Nếu rotor có thể chuyển đến tốc độ đồng bộ, chúng sẽ không liên hệ với hướng, không có dòng điện cảm ứng trong cuộn dây lồng sóc và không có lực phát triển để giữ rotor tiếp tục quay. Bởi vì luôn có lực ma sát để khắc phục, máy điện cảm ứng vận hành như 1 motor quay ở định mức chậm hơn tốc độ đồng bộ được xác định bởi stator. Sự sai lệch tốc được gọi là độ trượt xác định theo biểu thức toán học sau: s = S R S RS N N N NN   1 (2.7) với s là độ trượt rotor, NS là tốc độ không tải đồng bộ = 120f/p rpm, trong đó f là tần số và p là số cực và NR là tốc độ rotor. Khi tải đặt lên motor tăng, rotor giảm tốc độ xuống, tăng độ trượt cho đến khi đủ lực xoắn đủ đáp ứng yêu cầu. Thực tế, với hầu hết motor cảm ứng, độ trượt tăng gần như tuyến tính với lực xoắn trong dải sử dụng của độ trượt cho phép. Có 1 điểm, tuy nhiên, khi tải kéo xuống, còn gọi “lực kéo xuống” và tăng độ trượt để tương thích với tải và rotor dừng lại, hình 2.12. Hình 2. 12. Đường cong mooomen-độ trượt cho motor cảm kháng Nếu rotor được kéo quay theo hướng ngược lại so với điện trường stator, máy điện cảm ứng hoạt động như 1 cái phanh. 46 Ví dụ 2.2. Độ trượt cho 1 motor cảm ứng: Một motor cảm ứng 4 cực đạt công suất định mức khi độ trượt là 4%. Tốc độ rotor tại công suất cực đại là bao nhiêu? Tốc độ không tải đồng bộ của motor 60Hz, 4 cực là; rpm p f NS 1800 4 60120120    N (2.8) Từ (6.28) tại độ trượt 4%, tốc độ rotor sẽ là:     rpmNsN SR 17281800.04.01`1  (2.9) Máy điện cảm ứng hoạt động như 1 máy phát. Khi stator được cung cấp dòng điện kích từ 3 pha và trục được kết nối tới 1 turbine gió và hộp số, máy điện sẽ bắt đầu hoạt động bởi việc kéo theo tốc độ đồng bộ của nó. Khi tốc độ gió đủ để kéo theo trục máy phát tới vượt quá tốc độ đồng bộ, máy điện cảm ứng tự động trở thành máy phát phát điện năng vào cuộn dây stator. Nó có thể có 1 máy phát cảm ứng cung cấp cho bản thân nó 1 dòng điện kích từ bởi các tụ điện ngoài cho phép phát công suất mà không có lưới điện. Mô hình cơ bản cho 1 máy phát tự kích từ là để tạo ra điều kiện cộng hưởng giữa cuộn cảm ở trong của điện trường cuộn dây trong stator và các tụ điện ngoài. Một tụ điện và 1 cuộn cảm mắc song tạo nên các dao động điện từ; chúng có 1 tần số cộng hưởng tại vị trí mà chúng sẽ tự phát dao động nếu cho trước độ dịch chuyển theo hướng đó. Độ dịch chuyển được cho bởi điện trường tàn dư trong rotor. Tần số dao động, và tạo nên tần số kích thích, phụ thuộc vào kích cỡ của các tụ ngoài, cung cấp 1 phương pháp để điều khiển tốc độ turbine gió. Trong hình 2.13, 1 pha, tự kích thích, máy phát cảm ứng được vẽ với tụ ngoài. 47 Hình 2. 13. Máy phát cảm kháng từ kích từ. Các tục ngoài cộng hưởng với điện cảm stator tạo nên dao động ở 1 tần số riêng Làm thế nào mà 1 máy phát cảm ứng quay? Hệ số trượt được sử dụng cho các ứng dụng motor cảm ứng, ngoại trừ độ trượt sẽ là 1 số âm bởi vì rotor quay nhanh hơn so với tốc độ đồng bộ. Với các máy phát cảm ứng kết nối lưới, độ trượt thường không vượt quá 1%. Điều này có nghĩa là với ví dụ máy pháp 2 cực, 60Hz và tốc độ đồng bộ 3600 rpm sẽ có:      rpmNsN SR 36363600.01.011  (2.10) Một điều chú ý hơn với máy phát cảm ứng là chúng có thể chống shock được gây ra bởi các thay đổi nhanh với tốc độ gió. Khi tốc độ gió đột nhiên thay đổi, độ trượt tăng hoặc giảm theo giúp hấp thụ shock đến thiết bị cơ khí của turbine gió. 2.2.5. Công suất trung bình của gió Biểu diễn các phương trình cho công suất gió và được mô tả các thành phần cần thiết của hệ thống turbine gió, đây là lúc đưa vào việc xác định bao nhiêu năng lượng có thể thu được từ 1 turbine gió trong các chế độ gió khác nhau. Quan hệ lập phương giữa công suất gió và vận tốc gió cho ta thấy rằng chúng ta không thể xác định công suất trung bình của gió bằng cách thế đơn giản tốc độ gió trung bình vào (2.4). Ta đã thấy trong ví dụ 2.1. Chúng ta có 48 thể bắt đầu khám phá ra điều quan trọng này từ đặc tính phi tuyến của gió bằng cách viết lại (2.4) ở dạng giá trị trung bình:  avg avg avg AAP 33 2 1 2 1         (2.11) Nói cách khác, chúng ta cần tìm giá trị trung bình của lập phương vận tốc. Điều này có thể làm được thông qua công tác thống kê. 2.2.5.1. Biểu đồ gió gián đoạn Chúng ta sẽ phải sử dụng toán học và thống kê đối với các khu vực mới. Để làm được điều này, chúng ta sẽ bắt đầu với 1 số mô hình đơn giản bao gồm các hàm gián đoạn tốc độ gió và sau đó chúng ta có thể chuyển đến các hàm liên tiếp. Chúng ta hiểu gì về trung bình của các đại lượng? Giả thiết, ví dụ, ta thu thập dữ liệu gió tại 1 địa điểm và sau đó muốn biết làm thế nào để chỉ ra giá trị trung bình của tốc độ gió trong thời gian khảo sát. Tốc độ gió trung bình được có thể được tính trên tổng số mét, kilomet, hoặc dặm mà gió chạy qua vị trí đó, được phân chia bởi tổng thời gian xét. Giả thiết, ví dụ, thời gian xét 10h, có 3h không có gió, 3h có tốc độ 5mph và 4h có tốc độ 10mph. Tốc độ gió trung bình sẽ là avg = = (2.12) Nhóm lại các đại lượng trong (6.30), chúng ta cũng có 30% thời gian không có gió, 30% thời gian ở tốc độ 5mph, 40% thời gian ở tốc độ 10mph: mphmph h h mph h h mph h h avg 5.510 10 4 5 10 3 0 10 3                    (2.13) tốc độ gió tổng giờ 3 h. 0 mile/hr + 3 h.5 mile/h +4 h.10 mile/h 3+ 3 + 4 h 55 mile 10h 49 Chúng ta có thể viết (6.30) và (6.31) ở dạng tổng quát hơn như sau          i ii i i ii avg cótxuâxác gio gio    '. @. (2.14) Cuối cùng nếu gió bình thường, chúng ta có thể nói khả năng không có gió 0.3, khả năng có 5mph là 0.3 và khả năng có 10mph là 0.4. Hãy mô tả giá trị trung bình ở dạng:  i avg [ i . xác suất  i  ] (2.15) Chúng ta biết từ (6.29) rằng giá trị công suất trung bình quan tâm không phải là giá trị trung bình của v mà là v3. Quá trình tính trung bình được chính xác hóa tương tự như ví dụ đơn giản trên: hay    i avg 3 [ .3i xác suất ( i  )] (2.17) 50 Hình 2. 14. Một ví dụ về dữ liệu hiện trường và lịch sử dữ liệu gió theo giờ Giả thiết rằng chúng ta có 1 máy đo gió tổng hợp dữ liệu các giờ trong năm theo dạng 1 m/s (0.5 to 1.5 m/s), at 2 m/s (1.5 to 2.5 m/s), và tiếp tục tương tự. Một ví dụ về bảng dữ liệu trên hình 2.14 Ví dụ 2.3. Công suất trung bình của gió Sử dụng dữ liệu đã cho trên hình 2.14, tính tốc độ gió trung bình và công suất trung bình của gió (W/m2). Giả sử rằng mật độ không khí tiêu chuẩn là 1.225kg/m3. So sánh kết quả với những gì đã thu được nếu công suất trung bình được tính sai lệch theo tốc độ gió trung bình. Giải: Chúng ta cần phải thiết lập một bảng dữ liệu để xác định tốc độ gió trung bình v và giá trị trung bình của v3. Hãy làm ví dụ tính toán với bảng dữ liệu tính với 805 h/yr tại 8m/s: Xác suất giờ hàng năm tại 8m/s= 0919.0 /365/24 /805   yrddh yrh (2.19) 51 .8 Xác suất giờ tại 8 m/s = 8m/s  0.0919 = 0.375 (2.20) ( 8 ) 3. Xác suất giờ tại 8 m/s = 83  0.0919 = 47.05 (2.21) Phần còn lại của bảng dữ liệu là để xác định công suất gió trung bình sử dụng (2.11) như sau: Bảng 2. 1. Tốc độ gió trung bình Tốc độ gió i (m/s) Số giờ có mỗi năm Xác suất mỗi giờ có i i Xác suất mỗi giờ có i  i 3  i 3  Xác suất có i 0 24 0.0027 0.000 0 0.00 1 276 0.0315 0.032 1 0.03 2 527 0.0602 0.120 8 0.48 3 729 0.0832 0.250 27 2.25 4 869 0.0992 0.397 64 6.35 5 941 0.1074 0.537 125 13.43 6 946 0.1080 0.648 216 23.33 7 896 0.1023 0.716 343 35.08 8 805 0.0919 0.735 512 47.05 9 690 0.0788 0.709 729 57.42 10 565 0.0645 0.645 1,000 64.50 11 444 0.0507 0.558 1,331 67.46 12 335 0.0382 0.459 1,728 66.08 13 243 0.027 0.361 2,197 60.94 14 170 0.0194 0.272 2,744 53.25 15 114 0.0130 0.195 3,375 43.92 16 74 0.0084 0.135 4,096 34.60 17 46 0.0053 0.089 4,913 25.80 18 28 0.0032 0.058 5,832 18.64 19 16 0.0018 0.035 6,859 12.53 20 9 0.0010 0.021 8,000 8.22 52 21 5 0.0006 0.012 9,261 5.29 22 3 0.0003 0.008 10,648 3.65 23 1 0.0001 0.003 12,167 1.39 24 1 0.0001 0.003 13,824 1.58 25 0 0.000 0.000 15,625 0.00 Tổng 8760 1.000 7.0 653.24  i avg [ i . (Xác suất mỗi giờ có i ) ] = 7.0 m/s (2.22) Giá trị trung bình của v3 là:    i avg 3 [ .3i ( Xác suất mỗi giờ có i )] = 653.24 (2.23) Công suất trung bình của gió là:      avgavg 33 2 1  0.5  653.24 = 400 W/m 2 (2.24) Nếu chúng ta có công suất không chính xác sử dụng tốc độ gió trung bình ở 7m/s là: 233 /2100.7225.15.0)( 2 1 )( mWsaiP avgtrungbình   (2.25) Trong ví dụ trên, tỉ số của công suất gió trung bình được tính chính xác sử dụng v3avg và khi vận tốc trung bình là 400-210 = 1.9. Công suất chính xác là gấp 2 lần so với công suất tính theo tốc độ gió trung bình, 2.2.6. Các dự đoán đơn giản của năng lượng gió Bao nhiêu năng lượng gió có thể thu được và được chuyển thành điện năng? Câu trả lời phụ thuộc vào 1 số hệ số, bao gồm các đặc tính của máy điện (rotor, hộp số, máy phát, tháp, điều khiển), đất (địa hình, ghồ ghề bề mặt, chướng ngại vật) và tất nh