Thiết kế hệ thống chiếu sáng Hybrid sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời.PDF

Khi gió tác động lên các cánh quạt gió của tuabin cơ năng sẽ được chuyển thành điện năng xoay chiều AC sau khi đi qua hệ thống điều khiển chuyển đổi để kết hợp với nguồn điện do pin năng

-

LÊ HOÀI PHƯƠNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG HYBRID NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số ngành: 60520114

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Tôi xin chân thành cám ơn phòng Quản lý Khoa học – Đào tạo sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công nghệ thành phố

Hồ Chí Minh đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2013

Người thực hiện

Lê Hoài Phương

Để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo một cách hiệu quả cần có một

hệ thống lưới điện thông minh Khi gió tác động lên các cánh quạt gió của tuabin cơ năng sẽ được chuyển thành điện năng xoay chiều AC sau khi đi qua hệ thống điều khiển chuyển đổi để kết hợp với nguồn điện do pin năng lượng mặt trời tạo ra Nguồn năng lượng một chiều này được nạp trực tiếp vào bình ácquy thông qua hệ thống nạp, sau đó chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu Bộ điều khiển

có chức năng truyền năng lượng này đến hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng

Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thiết kế máy phát điện

Chương 3:Thiết kế hệ thống gió: Hệ thống cánh quạt, tuabin, lựa chọn pin năng lượng mặt trời

Chương 4: Mạch điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng

Chương 5: Thực nghiệm kiểm chứng

Kết kuận

Để dễ theo dõi, bản luận văn đã được bố cục thành các chương với đầy đủ nội

dung được đề cập đến đã giải quyết được những vấn đề sau đây:

- Sản xuất điện năng từ năng lượng gió ở Đồng Nai

Thiết kế hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ

- Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ

- Thiết kế tính toán máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 300W

- Thiết kế lựa chọn pin năng lượng mặt trời công suất 40W

- Thiết mạch điện sử dụng hệ thống hybrid Bản luận văn này đã hoàn thành tốt nhiệm vụ đặt ra, theo đúng các yêu cầu về nội dung và chất lượng

ABSTRACT

INTRODUCTION Solar and wind energy is a renewable form of energy with great reserve endlessly

It is one of the renewable energy sources of the most important natural gift for our planet

At the same time it is also a source of renewable energy sources such as biomass energy, the energy of the river, Solar and wind power can tell is endless However, to harness and use this energy needs to know the characteristics and basic properties of it, especially when it comes to the earth's surface

To harness and use solar energy effectively need a smart grid system When the wind acting on the blades of the wind turbine mechanical energy is converted into AC power after passing control system combined with switching to battery power by solar energy generated, energy sources DC is loaded directly into the bottle through the battery charging system, then converted into alternating current electric power (AC) by inverters The controller which transfers this energy to the system control lights

The content of the thesis is divided into five chapters:

Chapter 1: Overview

Chapter 2: Designing generator

Chapter 3: Design wind systems: System propellers, turbines, choosing solar battery Chapter 4: Control circuit lighting system

Chapter 5: Experimental verification

THE KUAN

For ease of tracking , the thesis has been organized into chapters with full internal

mentioned solution solves the following problems :

The study of the sources and uses of technology wind energy and solar energy in the world and in Vietnam

Evaluate the status and potential of wind energy applications in Bien Hoa :

- Wind speed , wind levels

- Wind regime in Dong Nai

- Production of electricity from wind energy in Dong Nai

Design generator system using small wind power capacity

- Block diagram generation system using wind power capacity of small

- Design calculations synchronous generator excitation eternal 300W

- Design selection of solar battery power 40W

- Setting circuits using hybrid system of this thesis was to fulfill the tasks set out , in accordance with the requirements for the content and quality

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG 4

1.1 Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird 4

1.1.1 Hệ thống chiếu sáng thông thường 4

1.1.2 Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời 4

1.1.3 Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybird gió và năng lượng mặt trời 5

1.2 Các dạng máy phát điện gió 7

1.2.1 Máy phát điện gió hiện nay trên thế giới được chia thành hai loại cơ bản chính như sau: 7

1.2.2 So sánh tuabin trục đứng và trục ngang: 7

1.3 MỘT THÍ DỤ VỀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ GIÓ TRONG NĂM 10

1.4 SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 11

1.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

1.5.1 Hệ thống điện gió độc lập 12

1.5.2 Hệ thống điện gió hybrid 12

1.5.3 Bộ điều khiển: 13

1.5.4 Bộ sạc acqui 14

1.5.5 Bộ biến đổi 14

1.5.6 Đèn chiếu sáng 14

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN 16

2.1.Thiết kế chế tạo máy phát điện gió 16

2.1.1 Các công thức tính toán các số liệu chính của động cơ 16

2.1.2 Dây quấn, rãnh Stator và khe hở không khí 17

2.1.3 Kích thước Rotor 18

2.1.3.Tính toán mạch từ 19

2.1.4.Tổng kết các số liệu thiết kế 21

Chương 3: THIẾT KẾ CÁNH QUẠT 22

3.1 Tính toán xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng 22

3.1.1 Dạng cánh Giromill 22

3.1.2 Dạng cánh Lenz2 24

3.2.Tính toán thiết kế thông số cánh tuabin: 25

3.2.1.Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ: 25

3.2.2.Thiết kế thông số cụ thể tuabin gió: 26

3.2.3.Các thiết bị phụ trong tuabin gió: 27

3.2.4.Động lực học cánh gió tuabin 27

3.2.5.Tính công suất hệ thống cho turbin 3 cánh: 32

3.3.Lựa chọn pin năng lượng mặt trời 33

Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG 35

4.1.Nghiên cứu mạch điện MPP, “Maximum Power Point”, để thu được công suất lớn nhất tại mọi thời điểm khi vận tốc gió thay đổi 35

4.1.1.Giới thiệu: 35

4.1.2.Mạch biến đổi điện áp DC/DC: 36

4.1.3.Lý thuyết MPPT: 38

4.1.4.Giải thuật MPPT: 41

4.2.Thi công chế tạo bộ biến đổi điện áp dc/dc sử dụng giải thuật MPPT: 43

4.4.Thiết kế hệ thống hybrid: 45

Chương 5: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 50

5.1 Thực ngiệm dạng cánh: 50

5.2.Lắp đặt và vị trí lắp đặt: 51

5.3.Các thông số đo được 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

1 Kết luận 53

2 Kiến nghị 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngoài lượng điện lưới thông thường thì năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng tái tạo mà Thế giới và Việt Nam đang quan tâm Hiện nay, năng lượng gió, và năng lượng mặt trời đã mang đến nhiều hứa hẹn Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác

Hệ thống sử dụng tuabin gió trục đứng đang là hướng nghiên cứu mới hiện nay

do hệ thống này khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống trục ngang như

là kết cấu nhỏ gọn; điều khiển công suất cho tải một cách độc lập; điều khiển góc

mở của cánh gió theo hướng gió và theo cường độ gió Như ta đã biết nhược điểm lớn nhất của tuabin gió trục đứng là khi quay nếu các cánh gió đều mở thì một bên có tác dụng hứng gió làm tuabin quay, bên còn lại cản gió làm giảm tốc độ quay của tuabin Một số nghiên cứu gần đây khắc phục nhược điểm đó bằng cách điều khiển góc mở cánh gió thông qua việc thiết kế hình dáng động học của cánh gió hoặc dùng phương pháp che gió không cho tác động vào cánh gió ở nửa cản gió của tuabin đối với loại có công suất nhỏ hoặc sử dụng một số cách điều khiển cơ khí như sử dụng kết cấu cam đối với loại có công suất lớn mà chưa quan tâm đến điều khiển góc mở của cánh sử dụng các bộ điều khiển bằng điện kết hợp với kết cấu cơ khí để điều khiển công suất khi hướng gió cũng như cường độ gió thay đổi Để phát huy các ưu điểm của hệ thống tuabin gió trục đứng là điều khiển được công suất cho tải phù hợp với cường độ gió ta phải có sự kết hợp giữa điều khiển điện và cơ Đó chính là lĩnh vực nghiên cứu của cơ điện tử và cũng là hướng mà đề tài cần nghiên cứu

Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Công nghệ TP HCM, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường,

phòng đào tạo Sau Đại học và PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến, tác giả đã lựa chọn đề tài

tốt nghiệp của mình là: “Thiết kế hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng

lượng mặt trời”

2 Mục đích của đề tài

Việc nâng cao hiệu suất chuyển động năng của gió thành điện năng để giảm giá thành là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sử dụng nguồn năng lượng sạch ở hiện tại và trong tương lai Để nâng cao được hiệu suất sử dụng năng lượng gió thì cần phải có các thiết bị chuyển đổi với các bộ điều khiển hợp lý

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng hệ thống hybrid kết hợp hai nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời để cấp nguồn cho hệ thống đèn chiếu sáng công cộng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Hệ thống cánh gió của tuabin trục đứng

- Khảo sát các thông số của mô hình tuabin trục đứng

- Thiết kế chế tạo động cơ máy phát điện

- Lựa chọn pin năng lượng mặt trời phù hợp với đề tài

- Thực nghiệm đề tài

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tính toán thiết kế chế tạo máy phát điện không đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu

- Nghiên cứu thiết kế dạng cánh, chọn dạng cánh phù hợp với đề tài

- Tính toán thiết kế mạch điều khiển và mạch hybrid

- Lựa chọn pin năng lượng mặt trời

- Hoàn thiện hệ thống, thực nghiệm lấy kết quả

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học:

Đây là một hướng nghiên cứu mới có rất nhiều người đang quan tâm, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào hoàn chỉnh về vấn đề này Từ đây cho thấy hướng phát triển đề tài của tác giả là rất cấp thiết trong hoàn cảnh hiện nay

- Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài đưa ra một phương án kết hợp hai nguồn năng lượng tái tạo mà Việt Nam đang quan quan tâm trong việc sử dụng nguồn năng lượng sạch cho hiện tại

và trong tương lai

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được chia thành 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thiết kế máy phát điện

Chương 3:Thiết kế hệ thống gió: Hệ thống cánh quạt, tuabin, lựa chọn pin năng lượng mặt trời

Chương 4: Mạch điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng

Chương 5: Thực nghiệm kiểm chứng

Các kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG

1.1 Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird và các công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” trong nước và trên thế giới

1.1.1 Hệ thống chiếu sáng thông thường

Hiện nay hệ thống chiếu sáng thông thường sử dụng hệ thống đèn sử dụng năng lượng từ nguồn điện lưới quốc gia bao gồm các loại đèn như bóng hiệu suất thấp heli, metan, bóng hiệu suất cao như sodium, bóng led…

Hình 1.1 : Đèn chiếu sáng hiệu suất cao HPS onyx 2 Các loại bóng được sử dụng cho các loại đèn này 100W,150W, 250W, 400W do đó

để chiếu sáng cho một 1Km đường với bề rộng mặt đường 8m đảm bảo độ chiếu sáng 2700lm thì chúng ta phải cần đến 35 bộ đèn 250W

Nhằm tiết giảm điện năng hiện nay một số các công ty cho ra dời một thế hệ đèn mới, đó là đèn chiếu sáng sử dụng 2 công xuất điện áp

Điện nguồn :220V

Công suất :150W/250W

Quang thông :3200Lumen(Lm)

Thời gian sử dụng :24.000 giờ

Đường kính bóng :48mm

1.1.2 Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

Cùng với việc muốn phát triển một nguồn năng lượng xanh, năng lượng tái tạo các nhà thiết kế chế tạo cho ra đời đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời Với nguồn

điện chính được lấy từ pin năng lượng mặt trời sau đó qua bộ điều khiển (Maximum Power Point Tracking – MPPT) nạp trực tiếp vào bình accu từ đây nguồn điện được đưa các thiết bị nắn nguồn và đưa ra tải (đèn chiếu sáng) do công xuất của những tấm pin thường nhỏ nên các nhà thiết kế thường sử dụng hệ thống đèn led để chiếu sáng

Hình 1.2 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời

1.1.3 Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybrid gió và năng lượng mặt trời

Cùng với việc sử dụng năng lượng xanh và năng lượng mặt trời thì năng lượng gió cũng là một trong những nguồn năng lượng đang được triển khai mạnh trên toàn Thế giới Ở Việt Nam đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng gió chỉ mới được áp dụng thử nghiệm tại những cung đường nhỏ, các hải đảo Chính vì lẽ đó đề tài này tôi đã kết hợp hai nguồn năng lượng được lấy từ tuabin gió và pin năng lượng mặt trời Sự kết hợp của hai nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời thông qua bộ điều khiển Điện áp được lấy từ tuabin gió trong đề tài là nguồn điện 18VAC 3 pha, sau khi qua thiết bị hạ áp và chỉnh lưu để ra được điện áp 12VDC Điện áp DC của pin năng lượng mặt trời kết hợp cùng điện áp DC của tuabin gió sau khi chuyển đổi được nạp vào bình

ác quy, chuyển qua bộ nghịch lưu để chuyển từ điện áp DC sang AC, từ đây nguồn điện thông qua bộ INVESTOR biến đổi điện áp từ 12VAC lên điện áp 220 VAC cung cấp cho hệ thống chiếu sáng

Hệ thống chiếu sáng Hệ thống chiếu sáng Hybrid trục ngang Hybrid trục đứng

Hình 1.3 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng hybrid

Đèn được tích hợp 2 tính năng ưu điểm của pin năng lượng mặt và tuabin gió Ban ngày cùng với việc tích hợp nguồn điện do pin năng lượng cung cấp thiết bị còn được nhận nguồn điện từ tua bin gió, vào ban đêm khi đèn được bật sáng, thì thiết bị vận hành được nhận nguồn điện từ hệ thống tua bin gió

1.1.4 Các công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” trong nước và trên thế giới

1.1.4.1 Các công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” trên thế giới

Qua khảo sát một số các công trình nghiên cứu về đề tài hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời của một số các trường đại học tại một số các quốc gia như:

- Đề tài “Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar–wind system with LPSP technology by using genetic algorithm” thuộc khoa Xây dựng Dịch vụ Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hồng Kông

- Đề tài “Design and Implementation of a Domestic Solar-Wind Hybrid Energy System”Đại học Zonguldak Karaelmas, Khoa Kỹ thuật, Khoa Điện và Điện tử, 67.100 Zonguldak, Thổ Nhĩ Kỳ

- Đề tài “design of a stand alone hybrid photovoltaic wind generating system with battery storage” Khoa Kỹ thuật, Khoa Điện và Điện tử, 67.100 Zonguldak, Thổ Nhĩ

Kỳ

1.1.4.2 Các công trình đã nghiên cứu về hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” tại việt Nam

Ở trong nước qua khảo sát và tra cứu trên các trang mạng và thư viện tại một số trường đại học có uy tín Tác giả nhận thấy trong nước hiện nay các các đề tài chỉ nghiên cứu trên một khía cạnh gió hoặc năng lượng mặt trời Tác giả chưa tìm thấy đề tài nghiên cứu về hệ thống hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời

1.2 Các dạng máy phát điện gió

1.2.1 Máy phát điện gió hiện nay trên thế giới được chia thành hai loại cơ bản chính như sau:

 Trục ngang (Horizontal Axis Wind Tuabine – HAWT) đây là loại truyền thống hiện đang thịnh hành nhiều nơi trên thế giới HAWT có roto kiểu chong chóng với trục chính máy phát nằm ngang Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế nghiên cứu cho thấy với loại tuabin này thì 3 cánh là có hiệu quả cao nhất để HAWT hoạt động tốt thì các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, vì vậy phải yêu cầu có một hệ thống điều chỉnh bằng cơ khí để đảm bảo cánh quạt luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió

 Trục đứng (Vertical Axis Wind Tuabine – VAWT) đây là loại công nghệ mới

có lợi điểm là cánh quạt luôn quay ổn định với mọi chiều gió

Hình 1.4: Mô hình cánh cho máy phát trục ngang và trục đứng

nhau Dennis G.Shepherd đã so sánh hai loại tuabine này một cách toàn diện, ông đã đưa ra những ưu và nhược điểm tương đối của hai loại tuabine này như sau:

1.2.2.1 Ưu điểm của VAWT so với HAWT:

Tuabine gió trục đứng truyền thống là một cỗ máy không hướng Nghĩa là VAWT hoạt động mà không phụ thuộc vào hướng gió Như vậy hệ thống xoay gió phức tạp của HAWT sẽ không cần thiết ở VAWT VAWT được đặt ngay trên nền đất, khác với HAWT phải được đưa lên tháp cao Hộp số, máy phát và dàn cơ khí điều khiển rất nặng, do đó nếu đặt dưới đất thì việc lắp đặt bảo trì sẽ rất thuận tiện và dễ dàng

Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao của HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với loại trục đứng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh

Về phương diện này, các tuabine gió trục đứng được coi như thân thiện với môi trường hơn so với trục ngang

Các cánh quạt của VAWT không bị phải chịu áp lực khi xoay Cánh của VAWT

rẻ và bền cao hơn so với HAWT

VAWT được thiết kế sao cho tải ly tâm được cân bằng bởi các lực trên cánh quạt, như vậy tránh được moment uốn

1.2.2.2 Hạn chế của VAWT so với HAWT:

VAWT được đặt ngay trên mặt đất, nên nó lệ thuộc vào gió có tốc độ thấp và thay đổi liên tục Với cùng một diện tích quét và trọng lượng thì công suất ngõ ra của VAWT thấp hơn HAWT

Toàn bộ trọng lượng VAWT được đặt lên bộ đệm đỡ phía dưới, bộ đệm này rất cứng, linh hoạt và có độ tin cậy cao khi vận hành Tuy nhiên khi bộ đệm này hư hỏng, thì đòi hỏi phải tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế

Đối với VAWT, moment quay và công suất ngõ ra thay đổi thất thường một cách tuần hoàn khi cánh quạt đi vào và ra khỏi vùng tác động của gió trong mỗi vòng quay, trong khi ở HAWT moment quay và công suất ngõ ra khá ổn định

Do moment quay của VAWT thay đổi tuần hoàn, nên tạo ra nhiều tần số dao động tự nhiên Điều này rất nguy hiểm và cần phải được loại bỏ nhanh chóng bởi bộ điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho roto Trong khi đó một HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ không có những vấn đề rung động như vậy

Sự phát triển mang tính cạnh tranh và những gì làm được của tuabine trục ngang

sẽ bị hạn chế trong tương lai, phần lớn là do tải trọng của những cánh quạt ngày càng lớn Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nhưng tuabine trục đứng không chịu

áp lức nhiều từ tải trọng của nó, điều làm giới hạn kích thước của tuabine trục ngang

1.2.2.3 Kết luận:

Tuabine trục ngang và trục đứng như trên đã phân tích đều có ưu và nhược điểm nhất định Loại trục ngang có hiệu suất cao hơn nhưng chi phí cũng lớn, hệ thống khá phức tạp và chỉ hoạt động tốt khi vận tốc gió lớn Trong khi loại trục đứng có hạn chế

là hiệu suất thấp nhưng bù lại dễ thiết kế, bảo dưỡng và giá thành thấp, đồng thời hoạt động tốt trong điều kiện gió thấp, chiều gió thay đổi liên tục

Việc chọn mô hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào điều kiện gió tại nơi đó và các tiêu chí thiết kế, các tiêu chí này sẽ được đưa vào bảng phân tích nhân tố và tùy vào nhu cầu người dùng ở từng quốc gia mà các tiêu chí sẽ có trọng

số khác nhau, tiêu chí nào có trọng số lớn nhất sẽ được chọn để thiết kế Theo đề tài này tôi đưa ra 7 tiêu chí sau, để đánh giá nhu cầu sử dụng:

 Giá thành thấp

 Được thiết kế dễ dàng và sản xuất với số lượng lớn

 Hiệu suất cao

 Ít duy tu bảo quản

Trong quá trình chọn dạng cánh để làm đề tài tôi đã chọn kiểu dáng cánh Lenz2 với nhiều ưu điểm, kiểu dáng cánh Lenz2 này dễ dàng trong thiết kế chế tạo và thi công so với các dạng cánh khác

Hình 1.5: Kiểu cánh dạng Lenz2 cải tiến từ dạng cánh Sovonious và Darrieus

1.3 MỘT THÍ DỤ VỀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ GIÓ TRONG NĂM

Qua liên hệ với trạm khí tượng thủy văn Bà Rịa Vũng Tàu, Đồng Nai tôi được

cung cấp bản sơ đồ vận tốc gió của năm 2012 như sau:

Bảng 1.1: Tốc độ gió trung bình (m/s) các tháng trong năm của Long Hải và Phước

Tỉnh thuộc Bà Rịa -Vũng Tàu

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Long Hải 5.84 5.11 7.29 6.57 6.03 6.10 11.63 9.50 11.45 8.06 6.57 7.29Phước Tỉnh 6.23 5.71 7.84 7.00 6.61 6.80 12.16 10.03 12.1 8.58 6.90 6.16

Bảng 1.2 Tốc độ và hướng gió khu vực giai đoạn 2001-2011

Ghi chú: Nguồn từ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Đài Khí tượng Thủy văn

khu vực Nam bộ Số liệu Trạm Khí tượng Đồng Nai

H: Hướng

Bảng 2: Tốc độ gió trung bình (m/s) các tháng trong năm của tỉnh Đồng Nai Với kết quả trên cho ta thấy việc ứng dụng năng lượng gió ở ba địa phương Long Hải và Phước Tỉnh, Đồng Nai trên là khả thi Với các trạm điện gió cỡ nhỏ và vừa có tốc độ bắt đầu hoạt động trong khoảng từ 3- 5 m/s , khả năng ứng dụng cao

1.4 SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

Hiện tại nước ta đang xảy ra hiện tượng thiếu điện ở mùa khô, do đó việc phủ lưới điện quốc gia tới những khu vực thưa dân cư như khu vực ven biển, miền núi, hải đảo

là chưa thể trong nhiều năm tới Việc ứng dụng năng lượng gió công suất nhỏ tỏ ra phù hợp với những vùng có điều kiện thời tiết đầy tiềm năng này Đây chính là một lý do được các nhà khoa học Việt Nam theo đuổi

Thông thường những vùng sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ là những vùng

có thu nhập thấp vì vậy chúng ta phải tìm ra phương án khả thi về chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì cho những trạm phát điện như thế này Vì theo kinh nhiệm và thông tin thì hầu như những trạm điện nhỏ lẻ chế tạo do những nhóm nghiên cứu của Việt Nam thì ngưng vận hành trong thời gian rất ngắn sau khi nghiệm thu Vì những vùng này thường có bão và dao động về khí hậu rất lớn trong khi việc nghiên cứu chuyên sâu để

có được những thiết bị như máy phát, vv … chịu được những tình huống này không được xem xét đến trong dự án có thể là do kinh phí dự án và nhiều yếu tố khác

Thông qua dự án nghiên cứu chế tạo máy phát năng lượng gió tầm thấp này chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu những phần nào chúng ta có thể còn lại những thiết bị nào cần thiết chúng ta vẫn phải phụ thuộc vào những đơn vị ngiên cứu chuyên nghiệp và tìm ra phương án thi công cũng như những nguyên vật liệu có sẵn tại Việt Nam để giảm giá đến mức thấp nhất cho người sử dụng Với công suất thiết kế 300W, máy phát điện gió này cũng đủ cung cấp cho hệ thống đèn chiếu sáng riêng lẻ phục vụ cho khu vực miền núi và hải đảo Mục tiêu chính của dự án là:

 Thiết kế chế tạo máy phát điện gió tầm thấp

 Nghiên cứu và thiết kế dạng cánh chịu được sự thay đổi lớn

 Tìm hiểu một số dạng trụ có sẵn như trụ điện, trụ tháp anten của các đơn vị

đã thiết kế sẵn để giảm chi phí đầu tư

 Thiết kế pin năng lượng mặt trời tương ứng phù hợp cho chiếu sáng

 Thiết kế mạch để có thể sử dụng được hai nguồn điện áp

 Thiết kế mạch biến đổi DC-24 /AC -220, sử dụng thiết bị chiếu sáng

1.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.5.1 Hệ thống điện gió độc lập

Hệ thống năng lượng gió là hệ thống các thiết bị chuyển đổi cơ năng của gió sang điện năng phục vụ các mục đích của con người Những bộ phận chính trong hệ thống năng lượng gió gồm có động cơ điện một chiều, cánh quạt gió, trụ và cột, bộ phận biến đổi điện thích hợp với bình acqui và bộ nghịch lưu để đổi sang dòng điện xoay chiều Điện từ máy phát điện gió được nạp vào bình acqui để sử dụng trong phạm vi, ứng dụng nhỏ cho những nơi xa thành phố, khu vực quân sự các hải đảo mà nguồn điện Quốc gia không tới được

Một hệ thống sử dụng năng lượng gió nhỏ thường hoạt động độc lập và bao gồm các thành phần cơ bản cấu thành như sau:

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống điện gió độc lập kết hợp acqui

1.5.2 Hệ thống điện gió hybrid

Hệ thống hyrid hệ thống pin Năng lượng mặt trời/hệ thống năng lượng gió "Hybrid Power W-02" bao gồm các thành phần chính sau: Biến tần / bộ sạc năng lượng mặt trời, module năng lượng mặt trời, máy phát điện gió (bao gồm cả chỉnh lưu và bộ điều khiển) cũng như pin và hộp kết nối pin (BAE)

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống hybrid

1.5.3 Bộ điều khiển:

Năng lượng gió có nhược điểm lớn là tốc độ gió thay đổi liên tục vì vậy công suất nhận được từ máy phát cũng dễ dàng thay đổi liên tục không ổn định Vì năng lượng gió là phi tuyến nên rất khó thiết lập phương pháp tuyến tính để kiểm soát công suất Đồng thời công suất phát của tuabin phụ thuộc vào tốc độ quay của roto và tốc độ gió hay điểm hoạt động công suất tối ưu Chính vì các lý do đó đề tài nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển có khả năng dò điểm hoạt động có công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) mà không phân biệt loại máy phát điện nào

sử dụng, bộ điều khiển sẽ điều khiển thông số dòng điện và điện áp đầu ra của máy phát một cách tự động, điều chỉnh sao cho công suất phát ra ứng với tốc độ gió là tối

đa Tổn thất điện năng của máy phát điện gió đạt giá trị tối thiểu, và làm giảm năng lượng tổn hao

Bộ điều khiển có chức năng hòa hai nguồn điện áp từ tuabin gió và pin năng lượng mặt trời

Một nhiệm vụ không kém quan trọng khác của bộ điều khiển được trình bày trong sơ đồ tổng quát của hệ thống năng lượng gió là nạp năng lượng cho hệ thống bình acqui Bộ điều khiển có nhiệm vụ chính là sẽ nạp năng lượng cho hệ thống ácquy kết hợp với kiểm soát tình trạng quá tải hệ thống khi acqui đầy Nếu trường hợp quá tải xảy ra bộ điều khiển này sẽ tự động chuyển năng lượng thừa sang bộ phận xả điện

1.5.4 Bộ sạc acqui

Mạch nạp ắcquy 3 giai đoạn hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, với những ưu điểm nạp nhanh chóng và an toàn, đồng thời tăng tuổi thọ của ắcquy Để phục vụ cho việc nạp vào hệ thống bình ắcquy, đề tài đã nghiên cứu, tính toán và thiết kế mạch sạc ắcquy 3 giai đoạn Nhằm mục đích làm chủ được công nghệ của bộ điều khiển trong hệ thống năng lượng gió công suất nhỏ

Mạch nạp ắcquy 3 giai đoạn là cải tiến từ những hạn chế của mạch nạp 2 giai đoạn Đầu tiên cũng nạp với dòng điện nạp không đổi cho đến khi đạt đến điện áp 14.4V đối với ắcquy 12V Sau đó giữ nguyên giá trị điện áp này, do dung lượng ắcquy lúc này đã tăng lên đáng kể nên dòng điện nạp giảm dần bằng ¼ giá trị cực đại (giai đoạn 2) Kết thúc giai đoạn này ắcquy được nạp khoảng 90% dung lượng Điện áp nạp lại tự động giảm xuống và giữ điện áp nổi là 13.8V (giai đoạn 3) Khi đó bình sẽ từ từ được khôi phục 10% dung lượng còn lại Như vậy toàn bộ dung lượng ắcquy sẽ được khôi phục nhanh chóng và an toàn

1.5.5 Bộ biến đổi

Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp và tần số cho phù hợp với mục đích sử dụng được trình bày trong hình 10 Hầu hết các tải đang được sử dụng là tải xoay chiều, do đó muốn sử dụng được thì cần phải có một bộ nghịch lưu DC/AC có nhiệm

vụ chuyển đổi dòng điện một chiều từ hệ thống ắcquy sang điện xoay chiều dưới dạng sóng sin chuẩn, điện áp bằng điện áp lưới thường 220V hay 110V tùy lưới điện của từng quốc gia Bộ nghịch lưu này phải có công suất phù hợp với hệ thống tuabine gió tương ứng

1.5.6 Đèn chiếu sáng

Hiện nay hệ thống chiếu sáng công cộng trên cả nước đang được sử dụng các loại đèn sử dụng bóng sodium có công xuất 100W, 150W, 250W ánh sáng vàng sử dụng nguồn điện 220V Với tiêu chí sử dụng năng lượng tái tạo và làm giảm việc ô nhiễm môi trường Trong đề tài này đèn được tôi chọn là đèn LED 75W độ rọi 7000-

8000 lm tương đương với bóng sodium 150W Đèn led có tuổi thọ cao độ bền 50.000 giờ phát sáng, phát sinh nhiệt lượng ít trong quá trình vận hành

Hình 1.8: đèn chiếu sáng sử dụng bóng dèn led

Bảng 1.3 : Thông số kỹ thuật đèn chiếu sáng sử đèn Led do công ty cổ phần năng

lượng Tuấn Ân cung cấp Lamp power 1 x 40W 1 x 80W 2x 80W 1x 80W 2x 80W

Solar

Lumens 2800lm 4000lm 4000lm 4000lm 4000lm Lux average 24 lux 24 lux 24 lux 24 lux 24 lux

Lamp life 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN 2.1 Thiết kế chế tạo máy phát điện gió

Với yêu cầu cần lắp đặt máy phát điện gió cho tầm thấp dưới 20 mét chỉ nên chọn dạng máy phát có trục thẳng đứng (vì máy phát cho trục nằm ngang phải có tốc độ gió trên 4m/s)

Qua tìm hiểu một số loại máy phát điện hiện có trên thị trường như sau:

Máy phát điện thông thường tốc độ vòng tua lớn muốn phát điện phải qua một hệ thống nhông truyền dẫn động

Máy phát điện tốc độ thấp có nhiều cặp cực nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành quá cao, quy trình nhập khẩu gặp nhiều khó khăn Chính vì những lí do đó tôi thiết kế chế tạo máy phát điện chạy tốc độ thấp với 16 cực từ sử dụng nam châm vĩnh cửu với các yêu cầu như sau:

2.1.1 Các công thức tính toán các số liệu chính của động cơ

- Điện áp pha: Để quấn và lồng dây được thuận lợi, chọn sơ đồ nối dây hình

Chọn mạch nhánh song song a=1

Số vòng dây nối tiếp của 1 pha :

W1 = = 835

Tiết diện đường dây quấn sơ bộ chọn mật độ dòng điện J = 1,2A/mm2 Từ đó ta tính được tiết diện cần thiết:

S = = = 4,875 mm2

Từ thông khe hở không khí:

Hình 2.1: Stator máy phát

2.1.3 Tính toán mạch từ

- Hệ số khe hở không khí : vật liệu được dùng để chế tạo lõi thép Stator là thép kỹ

thuật điện loại 2211

Bảng 2.1: Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung Quốc)

Nam châm vĩnh cửu

- Đây là loại nam châm thông dụng với giá thành khá hợp lý Cũng có thể sử dụng các loại nam châm khác có chất lượng cao hơn (tra cứu thông qua Website: http://www.magnet-china.com)

- Kích thước nam châm vĩnh cửu: Để tạo ra từ thông khe hở không khí theo yêu cầu của máy, kích thước tối thiểu của một miếng nam châm phải là:

 Dây điện quấn theo kiểu: 3 pha

 Kiểu đấu dây: Tam giác

Chương 3: THIẾT KẾ CÁNH QUẠT 3.1 Tính toán xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng

Trong thời gian thực nghiệm nguyên cứu và chế tạo dạng cánh cho đề tài Tác giả

có thiết kế chế tạo hai dạng cánh Dạng cánh Giromill và Dạng cánh Lenz2 để tiến hành thực nghiệm

= + Chiều quay