THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ HỆ THỐNG KẾT HỢPSỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN Hoàng Trí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM ABSTRACT In recent years, ener
Trang 1THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ HỆ THỐNG KẾT HỢP
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN
Hoàng Trí
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
ABSTRACT
In recent years, energy is the top concern of the countries in the world, especially in the context of fossil energy sources are being depleted In addition, environmental pollution, smog, global warming has been and will be a threat for the future Hence the urgency is to find new energy sources to replace fossil energy resources while ensuring environmental problems
Hybrid models have been an effective means of producing generating electricity
throughout the world lots of research work has been done and continuing the accomodate new advances in this system This paper proposes a hybrid energy system combining solar photovoltaic and wind turbine with backup storage batteries were designed, intergrated and the optimized to predict the behavior of generating system as a small scale alternative source of electrical energy where conventional generation is not practical
With the theme " Design and manufacture of equipment model system combines solar
and wind to produce electricity" to research, calculate and make the first hybrid system
uses two sources of clean energy as wind and solar can be applied inreal life
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, năng lượng là mối quan tâm hàng đầu của các nước trên thế giới, nhất là trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt Ngoài ra, ô nhiễm môi trường, khói bụi, sự nóng lên toàn cầu đã đang và sẽ là mối đe dọa cho tương lai Do vậy việc cấp thiết là tìm ra nguồn năng lượng mới dần thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch mà vẫn đảm bảođược vấn đề môi trường
Mô hình hybrid là một phương pháp hiệu quả của sản xuất ra điện trên toàn thế giới nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện và tiếp tục những tiến bộ mới cho hệ thống này Bài báo này đề xuất một hệ thống năng lượng hybrid kết hợp quang điện mặt trời và tua bin gió với pin lưu trữ dự phòng được thiết kế, tích hợp và tối ưu hóa hệ thống như một nguồn thay thế quy mô nhỏ của năng lượng điện mà ở những nơi không có điện lưới quốc gia hoặc vùng xa xôi hải đảo
Với đề tài“Thiết kế và chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời
và gió để sản xuất điện” nhằm nghiên cứu, tính toán và chế tạo được một hệ thống lai sử
dụng hai nguồn năng lượng sạch là gió và mặt trời có thể áp dụng vào thực tế cuộc sống
Trang 2CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã hội cũng như duy trì sự sống trên trái đất Trong nhiều thập kỉ vừa qua, việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế
Việt Nam là nước được đánh giá là rất dồi dào tiềm năng về năng lượng tái tạo (như năng lượng gió, thủy điện, mặt trời…) Năng lượng tái tạo có thể tạo ra nguồn điện ngoài lưới tại chỗ, rẻ tiền, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng Nếu được đầu tư và phát triển đúng hướng nguồn năng lượng này sẽ góp phần quan trọng vào việc giải quyết vấn đề năng lượng, khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường, góp phần đảm bảo sự phát triển kinh tế bền vững của Việt Nam
Chương 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
2.1 Giới Thiệu
2.1.1 Năng Lượng Mặt Trời:
Bức xạ mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1.000 Watt/m2 năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng khi Mặt Trời ở gần thiên đỉnh Mỗi giây mặt trời phát ra
3,968.1026 J (tương ứng với đốt cháy 1,32.1016 tấn than), với khối lượng khoảng 1,98.1030
kg Nhiệt độ trung tâm biến đổi từ 10 triệu đến 20 triệuC
Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặt trời, phía Bắc bình quân có khoảng từ 1.800-2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000-2.600 giờ nắng/năm Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn cho các tỉnh miền Trung và miền Nam trong quá trình phát triển bền vững
Hướng đến việc xây dựng ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam lên hàng đầu khu vực và cạnh tranh thế giới về công nghệ và sản lượng vào năm 2025, Dự thảo
2010-2025 đã vạch ra các mục tiêu cụ thể là khai thác hiệu quả điện mặt trời, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trong mọi tình huống (250 MWp = 456,25 tỷ KWh/năm), cùng với lưới điện khí hóa 100% toàn bộ lãnh thổ Việt Nam vào năm 2025
2.1.2 Năng Lượng Gió
Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các turbine gió thường được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng
Nghiên cứu của Ngân hàng thế giới chỉ ra rằng, Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong 4 nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính
là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt
2.2 Các Nghiên Cứu Liên Quan Đến Đề Tài
2
Trang 32.2.1 Các Nghiên Cứu Trong Nước
Khu công nghệ cao Q 9 Tp.HCM: Đây là hệ thống lai sử dụng năng lượng
gió và mặt trời đầu tiên của tập đoàn Intel tại châu Á Sử dụng tuabin gió trục ngang, chiều cao 15m, cung cấp năng lượng cho bóng đèn LED Ngoài ra, tại đây còn có các loại xe cộ chạy bằng năng lượng mặt trời trong nội bộ khu công nghiệp
Công viên Thanh Niên trên đường Trần Phú, Nha Trang năm 2013: Hệ thống
gồm 8 trụ đèn sử dụng cánh quạt với 3 cánh quạt có chiều dài mỗi cánh là 0,5m ngay công viên có chiều cao 10m 12 trụ đèn sử dụng pin mặt trời có chiều cao 5m lắp đặt dọc theo sân bóng đá Thanh Niên Đây là hệ thống đèn khi trời tối sẽ tự động bật sáng
2.2.2 Các Nghiên Cứu Ở Nước Ngoài
Sản phẩm đèn đường sử dụng hệ thống lai của Đài Loan
lớn của việc xây dựng loại nhà máy năng lượng kết hợp này là giảm hệ thống lưới điện, đồng thời các nguồn năng lượng này sẽ bổ sung cho nhau, dẫn đến năng lượng được tải vào lưới điện ổn định hơn so với các nhà máy năng lượng mặt trời, năng lượng gió được xây dựng riêng
Theo Alexander Woitas – người đứng đầu bộ phận kỹ thuật của Solarpraxis AG:
"Nghiên cứu đã kiểm tra với cùng một diện tích bề mặt Khi lắp đặt hệ thống quang điện kết hợp với tuabin gió sẽ tạo ra nguồn năng lượng gấp đôi so với việc chỉ lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời và sự che khuất gây ra bởi các tuabin gió chỉ chiếm 1-2% diện tích của
hệ thống năng lượng mặt trời – thấp hơn rất nhiều so với suy nghĩ trước đây”
2.2.3 Nguyên lý hoạt động
Hình 1 Mô hình PG-SWL-001 Hình 2 Hệ thống lai PG-SWL-004
Trang 4 Nguyên tắc tạo ra điện từ năng lượng mặt trời và gió
Pin mặt trời tạo ra điện thông qua hiệu ứng quang điện, dòng điện này được đưa tới
bộ xạc để xạc vào bình
Khi có gió, tuabine gió quay làm motor gắn theo cũng quay, sự biến đổi từ trường của nam châm trong motor sinh ra điện Đây là dòng DC được đưa tới bộ chỉnh lưu, tại đây dòng DC sẽ được nâng lên để nạp vào ắc quy
Dòng điện sau khi vào ắc quy sẽ được đưa đến bộ chỉnh lưu DC – AC biến dòng
một chiều đi ra từ ắc quy thành dòng xoay chiều để đưa đến các thiết bị sử dụng
Để tránh khi xạc đầy sẽ gây hư hỏng cho ắc quy nên ắc quy được nối với bộ điều
khiển Khi bình đầy thì dòng sẽ được dẫn đi đốt nóng điện trở nhằm giảm áp cho ắc quy
2.3 Kết Cấu Của Hệ Thống
Kết cấu sơ bộ của hệ thống gồm
Phần đế: Chịu tải trọng và liên kết các bộ phận khác trong hệ thống gồm turbine gió, các tấm pin mặt trời, bộ sạc, ắc quy và các thành phần khác
Phần turbine gió: gồm 3 cánh với đường kính quay là 2m Được liên kết với motor phát điện qua bộ truyền đai
Khung đỡ pin mặt trời: gồm 2 khung gắn vào trụ có tác dụng đỡ 2 tấm pin
Hộp đựng: Chứa các phần khác của hệ thống như bộ xạc, bộ chuyển đổi… khỏi các tác nhân bên ngoài
Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
3.1 Phân tích yêu cầu
Số liệu cho trước:
- Nhiệt độ môi trường: 25 – 35oC
- Độ ẩm: 70 – 85%
- Địa điểm lắp đặt: Khoa CKM (t/p Hồ Chí Minh)
- Công suất: 150W
Phân tích sơ bộ:
- Trung bình, Thành phố Hồ Chí Minh có 160 tới 270
giờ nắng một tháng, nhiệt độ trung bình 27 °C, cao
nhất lên tới 40 °C, thấp nhất xuống 13,8 °C Hàng
năm, thành phố có 330 ngày nhiệt độ trung bình 25 tới 28 °C
- Thành phố Hồ Chí Minh chịu ảnh hưởng bởi hai hướng gió chính là gió mùa Tây – Tây Nam và Bắc – Ðông Bắc Gió Tây – Tây Nam từ Ấn Độ Dương, tốc độ trung bình 3,6 m/s, vào mùa mưa Gió Gió Bắc – Ðông Bắc từ biển Đông, tốc độ trung bình 2,4 m/s, vào mùa khô Ngoài ra còn có gió tín phong theo hướng Nam – Đông Nam vào khoảng tháng
3 tới tháng 5, trung bình 3,7 m/s
4 Hình 4 Mô hình được chọn lựa để thi công
Trang 5 Như vậy, địa điểm để lắp đặt hệ thống rất thích hợp để sử dụng năng lượng Mặt Trời Tuy nhiên, với tốc độ gió trung bình được đánh giá là kém thì không phù hợp để sử dụng năng lượng gió
Ta chia năng lượng cần tạo ra thành
- Năng lượng Mặt Trời: 80% (120W)
- Năng lượng gió: 20% (30W)
3.2 Tính toán pin mặt trời cho hệ thống
3.2.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện của hệ thống solar.
Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị Cộng tất cả lại chúng ta
có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày
Ta có: 120W x 12h = 1440Wh
3.2.2 Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày.
Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng, theo đó:
PV panel = 1440 x 1.3 = 1872 Wh/ngày
3.2.3 Tính toán kích cỡ tấm pin mặt trời cần sử dụng
Để tính toán kích cở các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới
Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Việt Nam khoảng 5 kWh/m2/ngày, lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 5 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặt trời
Tổng Wp của PV panel = 1872 / 5 = 374,4Wp Chọn loại PV có 110Wp thì số PV cần dùng là 374,4 / 110 = 3,4 tấm
Chọn 4 tấm pin loại 110Wp
Tấm pin mặt trời Solar Cells Panel biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng
Thông số kỹ thuật:
- Hiệu suất: 15% - 18%
- Công suất: 110W
- Số lượng cells trên mỗi tấm pin: 72 cells
- Kích thước cells: 5 -6 inchs
- Loại cells: monocrystanlline và polycrystalline
- Chất liệu của khung: nhôm
- Tuổi thọ trung bình của pin: 30 năm
Trang 63.2.4 Độ nghiêng của pin khi lắp đặt
Góc nghiêng lắp đặt
β=φ± 10 ° (φ: là vĩ độ nơi lắp đặt)
Địa điểm lắp đặt là ĐH SPKT TP.HCM vĩ độ trong khoảng 8-10 nên:
chọn β = 20
3.2.5 Chọn bộ sạc năng lượng mặt trời
Với số lượng 4 tấm pin năng lượng mặt trời 110W, ta chọn bộ điều khiển sạc Kỹ thuật số Solar Charge Controller 12V – 250W (20A)
3.3 Tính toán thiết kế thiết bị gió
3.3.1 Tổng lượng tiêu thụ điện turbine gió phải
cung cấp trong 1 ngày:
Ta có: 30W x 12h = 360Wh
3.3.2 Công suất của turbine gió tạo ra được tính theo công thức:
Pmax = 0,36.h.r.v3
- Vận tốc gió trung bình ở độ cao 12m tại thành phố Hồ Chí Minh là 4m/s
- Ta chọn cánh quạt có kích thước h = 1,5m và r = 1,2m
3.3.3 Cánh quạt
Là thành phần hấp thụ năng lượng gió chuyển động cơ năng quay máy phát điện
Như vậy, công suất được tính:
Pmax = 0,36.h.r.v3 = 0,36.1,5.1,155.43 40 W Năng lượng turbine gió cung cấp cho hệ thống trong 1 ngày:
W = P.t = 40.10 = 400 Wh > 360 Wh Với thời gian trung bình gió đạt 4m/s trong 1 ngày là 10 tiếng
Theo TCVN2737, áp lực gió theo vận tốc gió được xác định theo công thức:
W = 0,0613.v2= 0,0613.42≈ 1 (daN/m2) = 100(N/m2) Lực gió tác dụng cánh quạt: F = W.S = W.D.h = 100.0,5.1,5 = 75 N
Moment quay của cánh quạt: M = F.l = 75.0,905 = 67,875 Nm Tần số góc của cánh quạt:
ω= λ v
r =
1.4 0,905≈ 4,42 rad / s Chu kỳ quay của cánh quạt:
T = 2 π
ω =
2 π
4,42≈ 1,42 s Tốc độ quay của cánh quạt:
V =60
T =
60
1,42≈ 42,2 v ò ng/ p hú t
6 Hình 5 Bộ điều khiển sạc pin mặt trời
Trang 73.3.4 Chọn mạch sạc cho turbine gió
Để điện áp đảm bảo sạc được vào ắc quy 12V, ta chọn mạch chỉnh lưu nhân áp
tạo nửa chu kỳ dương là điểm 1 dương
từ điểm 1 để nạp vào tụ điện C2 và đi
qua Diode D1 để về điểm 2 Trong nửa
chu kỳ này tụ điện C1 và Diode D2
không hoạt động Đến nủa chu lỳ tiếp
theo là nửa chu kỳ âm thì điểm 1 sẽ là âm và điểm 2 sẽ là dương nên lúc bấy giờ dòng điện
sẽ từ điểm 2 chạy qua D2 để nạp vào tụ
điện C1 và điểm 1 để hoàn thành chỉnh
lưu của cả 2 nửa chu kỳ thành một nguồn
điện áp hai cực tính âm – dương có tổng giá trị điện áp bằng 2 lần điện áp ra trên cuộn thứ cấp của biến áp…
3.4 Tính toán bộ inverter:
Đối với hệ solar stand-alone,
bộ inverter phải đủ lớn để có
thể đáp ứng được khi tất cả tải
đều bật lên, như vậy nó phải có
công suất bằng 125% công suất
tải Nếu tải là motor thì phải
tính toán thêm công suất để
đáp ứng thời gian khởi động
của motor
Chọn inverter có điện áp vào danh định
phù hợp với điện áp danh định của battery.Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện, ta không cần battery, điện áp vào danh định của inverter phải phù hợp với điện áp danh của hệ pin mặt trời Theo đó:
Công suất sử dụng = 150 W
Công suất inverter = 150 x 125% = 187,5W
Chọn inverter 200 W trở lên
Mạch nghịch lưu inverter
3.5 Tính toán battery
Battery dùng cho hệ solar là loại deep-cycle Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh Loại này có khả năng nạp xả rất nhiều lần mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao
Hình 6 Sơ đồ mạch sạc cho turbine gió
Hình 7 Sơ đồ mạch nghịch lưu
Trang 8Số lượng battery cần dùng cho hệ solar là số lượng battery đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng (autonomy day) khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được Ta tính dung lượng battery như sau:
- Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0,85 ta
có Wh của battery
Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0,6, ta chia số Wh của battery cho 0,6 sẽ có dung lượng battery
Do đó theo yêu cầu đề ra:
DunglượngBattery ( Ah)= 1440
0,85.0,6 12 .3=700 Ah
Như vậy chọn battery deep-cycle 12V/700 Ah cho 3 ngày dự phòng
3.6 Những Tồn Tại Của Hệ Thống
Giá thành sản phẩm còn quá cao
Chương 4: CHẾ TẠO - THỬ NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ
Bảng khảo sát về tốc độ quay của cánh quạt gió (vòng/phút) từ ngày 13/07/2014 đến ngày 17/07/2014 vào 7h, 12h và 16h
BẢNG KHẢO SÁT SỐ VÒNG QUAY CÁNH QUẠT TURBINE GIÓ
STT Ngày 13/7/14 Ngày 14/7/14 Ngày 15/7/14 Ngày 16/7/14 Ngày 17/7/14
h
16 h
7h 12 h
16 h
7h 12 h
16 h
7h 12 h
16 h
Đánh giá:
- Tốc độ vòng quay không ổn định;
- Thông thường, tốc độ vòng quay vào buổi chiều cao hơn buổi sáng và buổi trưa;
- Hướng gió thường xuyên thay đổi do gặp nhiều vật cản gây khó khăn cho việc đo đạc;
- Chưa đo được số vòng quay cánh quạt vào ban đêm;
- Vì thiếu dụng cụ đo tốc độ gió nên chưa xác định được hệ thống turbine gió có đáp ứng được yêu cầu đưa ra…
KẾT LUẬN
Qua quá trình thực hiện đề tài này nhóm thực hiện rút ra được những hạn chế như sau
- Việt Nam có nhiều tiềm năng về năng lượng gió, mặt trời, sinh khối,… Tuy nhiên, hiện nay việc ứng dụng năng lượng gió và mặt trời vào thực tế là chưa nhiều, chưa có nhiều người nghiên cứu về năng lượng gió và mặt trời
8
Trang 9- Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có các số liệu đầy đủ, cụ thể về lưu lượng gió và mặt trời tại các vùng Các số liệu hiện tại hầu hết do nước ngoài hay một số trạm trắc quan tại Việt Nam thực hiện;
- Do thời gian có hạn và thông tin về các thiết bị cũng như giá cả còn hạn chế Vì vậy, người thực hiện chưa có số liệu đầy đủ cho cả gió và mặt trời
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Đặng Đình Thống – Lê Danh Liên, Cơ sở năng lượng mới và tái tạo, NXB Khoa Học
và Kỹ Thuật, 2006
2 GS TS Peter Werner, Các nguồn năng lượng mới có tính tái tạo – Các cơ sở và khả năng phát triển
3 L Fingersh, M Hand, and A Laxson, Wind Turbine Design Cost and Scaling Model, 2006
4 Bài báo “A Hybrid model of solar-wind power generation system” trên tạp chí International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering Vol 2, Issue 8 August 2013 tác giả Sandeep Kumar, Vijay Kumar Garg
5 Bài báo “Optimal sizing of a stand-alone hybrid power via paricle swarm optimization for Kahnouj area in south-east of Iran” trên tạp chí Renewable Energy tác giả S.M Hakimi, S.M Moghaddas-Tafreshi
6 Wind_measurement_equipment_VN.pdf
7. http://hethongtudong.vn/vn/
8. http://pinmattroi.com/pin-nang-luong-mat-troi.html
9. http://gptech.com.vn/product/list/124
10. http://www.pas.com.vn/
11. http://nhietdien.vn/
12. http://www.viettrunginves.com/vi-VN/san-pham/NONE/may-phat-dien-tuabingio/ tags.aspx
13. http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design
14. http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_aerodynamics
15. http://en.wikipedia.org/wiki/Horizontal-axis_wind_turbine#Horizontal_axis
16. http://en.wikipedia.org/wiki/Vertical-axis_wind_turbine
17. http://www.windturbinestar.com/vertical-wind.html
