Công nghệ mới của điện gió [Kỳ 1]: Tổng quan tuabin 2 tầng cánh, 9 cánh quạt

Theo dõi KTMT trên

Tổng quan:

Người phát minh ra công nghệ điện gió với tua bin có 2 tầng cánh (2 rôto) gồm 9 cánh quạt là Anatoly Georgievich Bakanov. Ông là tổng công trình sư của một dự án đổi mới khoa học về điện gió. Từ năm 1973 Bakanov đã đứng đầu phòng thiết kế - thử nghiệm chế tạo động cơ ở Voronezh, và hiện là Giám đốc khoa học “Hệ thống đổi mới” của Công ty Voronezh. Ông đã có hàng chục sáng chế đã được triển khai, bao gồm động cơ pít-tông hàng không, động cơ tua bin khí cho máy bay có người lái và không người lái, hộp số cho tàu vũ trụ sử dụng nhiều lần “Buran”. Ông cũng có kinh nghiệm trong việc chế tạo tua bin gió. Đặc biệt, vào đầu những năm 1990, ông đã phát triển bộ truyền động cho máy phát điện gió 450 kW lắp đặt ở Ukraine, gần Nikolaev, tạo ra các tua bin gió tích hợp có công suất 30 mã lực cho Bộ Quốc phòng.

Năm 2002, khi năng lượng gió đã trở thành một lĩnh vực của tư nhân, Bakanov và các đồng nghiệp thành lập một công ty riêng. Lúc đầu, nhóm của A.G. Bakanov tiếp tục nghiên cứu các công nghệ quân sự, đặc biệt là chế tạo hộp số cho tàu ngầm thế hệ mới, giành chiến thắng trong cuộc cạnh tranh giữa các nhà máy và viện nghiên cứu hàng đầu. Sau đó họ phải chuyển hướng khỏi các lĩnh vực công nghệ quân sự vì phải có các loại giấy phép đặc biệt. Nhưng, phát minh về hệ truyền động của Bakanov sử dụng trong máy bay trực thăng có thể được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng gió.

Tính nổi trội của tua bin điện gió có 2 tầng rôto với 9 cánh quạt:

Hiện nay, tất cả các công nghệ điện gió với tua bin có 1 tầng rôto với 3 cánh quạt trên thế giới đều rất kém hiệu quả. Hiệu suất của các tua bin gió ba cánh hiện đang được lắp đặt tại các trang trại gió trên khắp thế giới là rất thấp. Theo định luật Betz (1919), một máy phát điện gió, hay đúng hơn là một đĩa đục lỗ, có thể nhận không quá 59,3% năng lượng của luồng không khí đi qua nó. Trên thực tế, hiệu suất sử dụng năng lượng gió của tua bin gió 1 rôto 3 cánh hiện đại nhất cũng chỉ khoảng 30÷40%. Đây là hiệu suất tối đa có thể đạt được về mặt kỹ thuật (bình quân chỉ 26%). Vì vậy, người ta tìm cách tăng hiệu suất phát điện chủ yếu bằng 2 cách.

Đầu tiên là tăng chiều cao của tháp. Vì ở độ cao lớn, gió mạnh hơn, điều đó có nghĩa là ngay cả với hiệu suất 30÷40%, vẫn có thể thu được nhiều năng lượng hơn. Ví dụ, các dự án đặt tua bin gió trên khinh khí cầu: Ở độ cao một km, gió luôn mạnh và liên tục. Vì vậy, Công ty Altaeros Energies của Mỹ, Magenn của Canada và những công ty khác cũng có những dự án tương tự.

Thứ hai là gia tăng chiều dài của các cánh quạt, bởi vì diện tích bao phủ của cánh quạt càng lớn thì càng hứng được nhiều gió đến với tua bin gió. Sự gia tăng sản lượng cũng có thể đạt được nhờ sự thay đổi trong cấu hình của các cánh quạt, giúp cải thiện các đặc tính khí động học. Người ta cũng có thể lắp đặt nhiều tua bin gió hơn trên một địa điểm, hoặc thiết kế tua bin với công suất lớn hơn và đưa chúng ra biển, nơi có gió ổn định hơn và mạnh hơn. Nhưng tất cả những điều này chỉ là những thay đổi về lượng (chỉ có thể tăng sản lượng theo nghĩa đen một vài phần trăm). Còn tua bin gió 2 tầng rôto với 9 cánh quạt là một thay đổi về “chất” - là một bước nhảy vọt trong công nghệ điện gió, giúp tăng sản lượng rõ rệt và nó có thể được sử dụng ở mọi nơi (trên đất liền, trên biển và cả trên không).

Mặc dù, trên thực tế với 2 phương pháp trên, người ta đã cải thiện đáng kể hiệu suất của công nghệ phát điện bằng tua bin gió (1 tầng 3 cánh), nhưng A.G. Bakanov vẫn cho đó là những việc làm kém hiệu quả. Khi còn làm việc trong lĩnh vực thiết kế trực thăng quân sự, Bakanov đã sớm nhận ra rằng, trực thăng với 2 tầng cánh có sức nâng lớn hơn nhiều so với trực thăng 1 tầng cách. Tương tự, các tua bin khí (của nhà máy nhiệt điện chạy khí) cũng luôn có >2 tầng cánh và hiệu suất của tua bin khí đạt tới 96%. Vì vậy, Bakanov đã quyết định sử dụng cấu hình 2 tầng rôto trong sáng chế tua bin gió để phát điện.

Rôto là bộ phận chuyển động của tua bin mà các cánh quạt được gắn vào, cấu hình rôto đôi là hệ thống gồm hai rôto chính quay ngược chiều nhau. Máy phát điện gió thông thường chỉ có một rôto với 3 cánh quạt; máy phát điện gió của Bakanov có 2 rôto với 9 cánh quạt (4 cánh trên rôto đầu, 5 cánh trên rôto thứ hai).

Kết quả khảo sát tua bin 2 tầng rôto với 9 cánh của Bakanov bằng mô hình toán học cho thấy: Hiệu suất có tính đến tổn thất (dây dẫn, bộ chuyển đổi v.v...) của tổ máy phát đạt 70-80%. Lượng điện phát của tổ máy tăng lên nhờ được trang bị bộ cộng và bộ nhân (сумматор và мультипликатор). Ngoài ra, tổ máy phát với tua bin 2 tầng đã nhận được lượng gió thực tế lớn tới 80%. Thiết kế của tổ máy phát tua bin gió 2 tầng phù hợp cho mọi tốc độ gió, từ cao đến thấp, và hầu hết động năng của gió đi vào tua bin này đều được chuyển thành điện năng. Điều này có nghĩa hiệu suất phát điện tăng lên và giá thành điện giảm đi nhiều so với loại tua bin 1 tầng 3 cánh.

Điều đặc biệt nữa liên quan đến vấn đề môi trường sinh thái. Nhờ 2 tầng rô to có cánh quay ngược chiều nhau sẽ tạo thành một “đĩa” quay mà các loài chim di cư có thể nhìn thấy để bay tránh ra xa một cách an toàn.

Thiết kế độc đáo của tua bin gió thế hệ mới (InS-V, 2 tầng 9 cánh):

Các giải pháp thiết kế độc đáo để đảm bảo hiệu suất cao của tua bin gió và sử dụng tối đa năng lượng gió gồm:

- Hai cánh quạt 5 cánh quay ngược chiều được chế tạo từ vật liệu hàng không và công nghệ hàng không.

- Bộ nhân hành tinh giúp đơn giản hóa việc truyền mô-men xoắn, nâng cao độ tin cậy và loại bỏ bộ thay đổi tốc độ, bộ biến thiên và bộ biến tần điện tử.

Ưu điểm nổi trội của tua bin gió thế hệ mới:

Nhờ áp dụng các giải pháp độc đáo sử dụng hệ thống 2 tầng 9 cánh kết hợp với bộ nhân hành tinh, tua bin gió thế hệ mới này sẽ khắc phục được các nhược điểm cơ bản của loại tua bin gió truyền thống. Cụ thể:

1/ Hiệu suất của tua bin tăng lên gấp 3 lần. Nhờ sử dụng các công nghệ tiên tiến nhất trong kỹ thuật chế tạo máy bay, tua bin gió thể hệ mới có thể hoạt động ngay cả ở tốc độ gió thấp mà vẫn đạt được hiệu suất cao.

2/ Độ ồn giảm xuống đến 43 dB và triệt tiêu được các tần số siêu âm ở giải 3÷12 Hz - là tần số nguy hiểm cho con người và động vật. Loại tua bin mới này chỉ tạo ra âm thanh kích thích ở giải tần số 0-40 Hz (tức chỉ tương đương với tần số rơi xào xạc của lá cây).

3/ Có thể được chế tạo với các giải công suất nhỏ (100÷1.000 kW) để đáp ứng có hiệu quả cho các nhu cầu cấp điện đơn lẻ của cư dân, cũng như của các cụm công nghiệp vừa và nhỏ vốn nằm rải rác, với vốn đầu tư nhỏ, giá thành điện thấp và thời gian hoàn vốn nhanh. Các tua bin gió với gam công suất hiện có gồm: ИнС-В-100; ИнС-В-250; ИнС-В-1000.

4/ Có thể đấu nối trực tiếp với lưới điện và không yêu cầu phải lắp đặt thêm các trạm biến áp và các bộ biến tần AC đắt tiền.

5/ Tổng trọng lượng các cấu kiện, kích thước cũng như moment quán tính của các chi tiết quay đều giảm được 30% so với các thiết bị tương tự trên thế giới.

Ngoài ra, cũng giống như các tua bin gió phát điện thông thường khác, loại tua bin gió thế hệ mới này cũng được trang bị các hệ thống chữa cháy tự động và hệ thống bảo vệ chống sét đánh.

Các mô tả cơ bản về sản phẩm InS-V-1000/250/100:

Tua bin gió InS-V-1000/250/100 là tua bin gió hai tầng cánh quạt hiện đại, hiệu suất cao, đáng tin cậy được thiết kế để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện.

Tua bin gió có độ tin cậy cao.

Cơ cấu hãm đảm bảo hãm rôto tua bin gió trong quá trình bảo dưỡng.

Ở tốc độ gió trên 3 m/s, quá trình tự động hóa bắt đầu cài đặt. Sau khi rôto đạt tốc độ đồng bộ, năng lượng điện được truyền (với tần số ổn định 50, 60 Hz) đến người tiêu dùng.

Tốc độ không đổi của máy phát điện được cung cấp bởi một hệ số hành tinh vi sai, chuyển đổi năng lượng cơ học từ trục của hai rôto có tốc độ thay đổi thành một trục đầu ra có tốc độ không đổi.

Hệ thống góc cánh quạt tự động cung cấp tỷ lệ tốc độ cánh quạt cần thiết. Nếu tốc độ gió vượt quá 25 m/s, các cánh quạt được chuyển sang chế độ lông vũ và hệ thống phanh được kích hoạt.

Tổ máy phát điện (bao gồm tua bin, trục, hệ số nhân, máy phát điện và các thiết bị dịch vụ) được lắp đặt trong một gondola, được gắn trên đỉnh tháp. Gondola được gắn trên một bàn xoay.

Chỉ dẫn gió và hướng của nó được xác định bằng các dụng cụ đo đặt trên thuyền gondola, dữ liệu thu được được truyền đến bộ điều khiển để máy tính xử lý. Cơ chế quay tự động quay bộ nguồn theo hướng gió, do đó đảm bảo tính thẳng hàng của trục của các cánh quạt và hướng gió.

Khả năng phát điện ở tốc độ gió thấp:

Các tua bin thông thường đang được chế tạo (với công suất trên 1 MW) chỉ được thiết kế để bắt đầu hoạt động phát điện ở tốc độ gió trên 6m/s và chỉ đạt công suất định mức ở tốc độ gió 10,5÷13 m/s.

Các tua bin gió thế hệ mới nhờ các giải pháp 2 tầng cánh có thể đạt công suất định mức theo thiết kế ở tốc độ gió chỉ 2,7m/s.

Khả năng phát điện trong khi có gió giật, mưa lớn, bão cát:

Tất cả các tua bin gió được thiết kế để chịu được bão và gió mạnh. Tuy nhiên, các tua bin gió thông thường 1 tầng 3 cánh ở tốc độ gió trên 25-30 m/s cần được chuyển sang chế độ thụ động và dừng lại để tránh hư hỏng kết cấu. Các tua bin gió 2 tầng 9 cánh có đường kính nhỏ hơn và độ bền cao của rôto, có thể tiếp tục hoạt động ngay cả trong những điều kiện gió giật.

Khả năng phát điện ổn định (khả năng ổn định vòng quay của máy phát điện):

Cho đến nay, tất cả các tua bin gió truyền thống đều được trang bị các bộ phận chuyển đổi tốc độ, bộ biến tốc và các thiết bị tương tự để đảm bảo phạm vi hoạt động của máy phát điện ở tốc độ gió thấp và cao. Tuy nhiên, tần số và điện áp của dòng điện được tạo ra dao động trong giới hạn không cho phép kết nối trực tiếp tổ máy phát điện gió với mạng chung, hoặc kết nối trực tiếp với người tiêu dùng.

Tua bin thế hệ mới sử dụng bộ nhân vi sai mang lại độ ổn định cao cho tốc độ máy phát, đủ để kết nối trực tiếp các nhà máy điện gió với hệ thống mà không cần thêm bộ biến đổi và bộ bù dòng điện đắt tiền.

Không có siêu âm trong tất cả các chế độ hoạt động:

Các tua bin điện gió lớn thông thường, khi hoạt động có nền siêu âm trong giải vượt quá mức cho phép đối với con người và động vật. Điều này sẽ làm ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp.

Các tua bin điện gió mới được thiết kế với 2 tầng cánh kết hợp với bộ hành tinh cho phép giảm độ ồn xuống 43 dB và loại bỏ được tần số âm thanh trong khoảng 3÷12 Hz - nguy hại cho con người và động vật.

Hệ số hữu ích sử dụng năng lượng gió đạt 0,75-0,80:

Các tua bin gió thông thường có hiệu suất sử dụng năng lượng gió chỉ đạt 26%.

Tua bin gió thế hệ mới có hiệu suất tính toán đạt 75-80% (cao gấp 3 lần so với tua bin gió thông thường) nhờ thiết kế có 2 tầng cánh đồng trục kết hợp với bộ nhân vi sai cơ học.

Kỳ tới: Đặc điểm và thị trường tiêu điểm của tua bin gió 2 tầng cánh

TS NGUYỄN THÀNH SƠN

Nguồn:

https://insokbm.com/production_rus.php

https://insokbm.com/principle_rus.php

https://www.kommersant.ru/doc/5089561

Theo Tạp chí Năng lượng Việt Nam