Nghiên cứu tua bin gió cỡ nhỏ kết hợp tấm solar cho hộ gia đình

Năng lượng mặt trời và năng lượng gió đã nhận được sự chú ý đặc biệt của các nhà khoa học các nước và đã có nhiều cuộc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng thành công.. “Những nghiên cứu v

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

(Ký và ghi rõ họ tên)

HUỲNH THANH TÂM

LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi đến thầy TS Võ Hoàng Duy lòng tri ân sâu sắc Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, Tiến sĩ Võ Hoàng Duy là người đã tận tình hướng dẫn, định hướng và cung cấp những góp ý cần thiết để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này Không chỉ học hỏi được kiến thức của thầy, tôi còn học được ở thầy phương pháp nghiên cứu, cách thức làm việc khoa học và cũng như sự nhiệt tâm của người thầy với học trò

Để có được kiến thức như hôm nay, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn Cơ Điện tử - trường đại học Công Nghệ thành phố Hồ Chí Minh

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến kỹ sư Đoàn Văn Toản, người đã có những góp ý quý báu cũng như đã cung cấp cho tôi nhiều tài liệu tham khảo có giá trị liên quan đến đề tài nghiên cứu này, và đã giúp đỡ tôi trong các việc tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng Ngoài ra tôi xin gửi lời cám ơn đến sự hỗ trợ của các bạn kỹ sư, sinh viên đang làm việc và học tập tại Phòng Thí nghiệm Cơ Điện Tử- trường Bách Khoa Tp HCM, nơi tôi

đã tiến hành các thí nghiệm kiệm chứng

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các người thân, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 07 năm 2016

TÓM TẮT Mục tiêu chính của luận văn là tập trung vào nhằm tính toán, thiết kế và chế tạo máy phát điện gió trục đứng kết hợp solar pannel công suất nhỏ dựa trên các cơ sở lý thuyết

Nội dung nghiên cứu luận văn bao gồm:

* Phân tích và lựa chọn các phương án: sẽ bao gồm hai phần: phần một trình bày về việc phân tích và lựa chọn các phương án của tua bin gió; phần 2 trình bày về việc phân tích và lựa chọn các phương án của pin mặt trời

* Thiết kế và chế tạo cơ khí: tác giả thiết kế tua bine gió trục đứng dựa trên tốc độ gió 6m/s Tác giả sử dụng các dữ liệu cảm biến cường độ sáng BH1750 để tính toán các thông số cần thiết cho việc điều khiển xoay tấm pin

* Thực nghiệm kiểm chứng: tác giả sử dụng mô hình để kiểm nghiệm khả năng hòa điện của hệ thống vào lưới điện EVN, kiểm nghiệm độ ổn định của hệ thống

và tính hiệu quả của hệ thống

ABSTRACT Based on the literature reviews and theories, this study aims at the calculating, designingand manufacture for a small productivity generator which absorbs the power from a solar panel and vertical axis wind turbine

The thesis includes:

Analyzing and choosing the solutions for both solar panel and vertical axis wind turbine

Designing and manufacture: Based on the wind speed at 6m/s to make a vertical axis wind turbine and based on a BH1750 light intensity sensor for calculating the proper parameters to turn the solar panel

Experiment: using the model to test the capability of integrating into EVN grid, the stability and effectiveness of the system

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC BẢNG x

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Giới thiệu chung về năng lượng gió và năng lượng mặt trời 2

1.2.1 Năng lượng gió 2

1.2.2 Năng lượng mặt trời 3

1.2.3 Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời 4

1.3 Tiềm năng về năng lượng gió và năng lượng mặt trời ở Việt Nam 5

1.3.1 Khảo sát gió ở Việt Nam 5

1.3.2 Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam 7

1.3.3 Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam 10

1.4 Tìm hiểu về tua bin gió và pin năng lượng mặt trời 12

1.4.1 Tua bin gió 12

1.4.1.1.Khái niệm 12

1.4.1.2.Phân loại 12

1.4.1.3.Một số loại tua bin gió 14

1.4.2 Pin mặt trời 17

1.4.2.1.Khái niệm 17

1.4.2.2.Phân loại 18

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước 19

1.6 Mục tiêu, phạm vi của đề tài 21

1.6.1 Mục tiêu 21

1.6.2 Nhiệm vụ đề tài 21

1.6.3 Phạm vi đề tài 21

1.7 Tổ chức luận văn 21

Chương 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 22

2.1 Phân tích và lựa chọn các phương án của tua bin gió 22

2.1.1 So sánh giữa tua bin gió trục đứng và tua bin gió trục ngang 22

2.1.2 Lựa chọn loại tua bin gió trục đứng 23

2.2 Phân tích và lựa chọn các phương án khung pin năng lượng mặt trời 24

2.2.1 Phân tích và lựa chọn phương án giữa pannel trục đơn và trục kép 24

2.2.2 Tấm pin quay theo hướng mặt trời 26

Chương 3: CƠ SỞ THIẾT KẾ, THIẾT KẾVÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ 27

3.1 Cơ sở thiết kế 27

3.1.1 Cơ sở thiết kế tua bin gió trục đứng 27

3.1.2 Cơ sở lý thuyết về tấm năng lượng mặt trời 33

3.1.3 Tính toán ắc qui (battery) 34

3.2 Phương án thiết kế 36

3.2.1 Nhu cầu điện năng cho một hộ gia đình 36

3.2.2 Máy phát điện gió trục đứng cánh tròn (Savonius) 36

3.2.3 Khung Solar panel chuyển động theo ánh sáng mặt trời 48

Chương 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN 50

4.1 Sơ đồ chung 50

4.1.1 Bộ điều khiển sạc 50

4.1.2 Bộ inverter 52

4.1.3 Sơ đồ đấu dây của hệ thống 53

4.2 Điều khiển tấm pin hướng theo mặt trời 54

4.2.1 Vi điều khiển PIC16F877A 55

4.2.2 Cảm biến cường độ sáng 56

4.2.3 Cách bố trí cảm biến 57

4.2.4 Công tắc hành trình 58

4.2.5 Lưu đồ giải thuật điều khiển xoay tấm pin 59

4.2.6 Lưu đồ giải thuật đo vận tốc gió 62

Chương 5: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ &HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63

5.1 Mục tiêu thực nghiệm 63

5.2 Thiết bị thực nghiệm 63

5.3 Quá trình thực nghiệm 64

5.4 Nhận xét, đánh giá 68

5.5 Hướng phát triển đề tài 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các ứng dụng của năng lượng gió 3

Hình 1.2 Biểu đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam, độ cao 80m 8

Hình 1.3 Biểu đồ bức xạ mặt trời và tiềm năng của Việt Nam 11

Hình 1.4 Tua bin gió trục ngang downwind và upwind 12

Hình 1.5 Upwind tua bin 13

Hình 1.6 Tua bin gió trục đứng 14

Hình 1.7.Tua bin gió Savonius 15

Hình 1.8 Tua bin gió Gorlov 15

Hình 1.9 Tua bin gió kiểu Darrieus 16

Hình 1.10 Tua bin Giromill ( H-rotor ) 16

Hình 1.11.Tấm pin mặt trời 18

Hình 1.12.Các dạng pin mặt trời 18

Hình 2.1 Bộ truyền đai răng 24

Hình 2.2 Mô hình 1 trục và mô hình 2 trục định hướng theo mặt trời 25

Hình 3.1.Khí động học cánh rotor 27

Hình 3.2 Công suất tua bin gió 30

Hình 3.4 Rotor Savonius 32

Hình 3.5.Hoạt động hế thông pin Mặt trời 34

Hình 3.6.Lưu đồ thiết kế tua bin gió 37

Hình 3.7 Công suất tua bin gió 39

Hình 3.8.Motor generator 40

Hình 3.9 Lực tác dụng lên cánh 41

Hình 3.10.Bản vẽ thiết kế góc đặt cánh 44

Hình 3.11.Mô hình 3D góc đặt cánh 44

Hình 3.18.Đai răng 180XL-037 45

Hình 3.19.Công cụ tính toán đai răng 46

Hình 3.20.Cánh đón gió khi lắp vào mô hình 47

Hình 3.21.Mô hình 3D tổng quan 48

Hình 3.22 Máy phát điện gió hoàn thiện 48

Hình 3.23.Hệ thống pin mặt trời hoàn thiện 49

Hình 4.1.Sơ đồ khối chung của hệ thống 50

Hình 4.2.Bộ điều khiển sạc VS3024N 50

Hình 4.3.Đấu dây của bộ điều khiển sạc VS3024N 51

Hình 4.4.Bộ inverter grid tied micro 52

Hình 4.5 Các ngõ đấu dây của thiết bị 53

Hình 4.6 Sơ đồ đấu dây chung của hệ thống 54

Hình 4.7 Sơ đồ chân của PIC16F877A 55

Hình 4.8 Cảm biến cường độ sáng BH1750 56

Hình 4.9 Bố trí cảm biến cường độ sáng BH1750 57

Hình 4.10.Hiện tượng dội với công tắc cơ khí (Bouncing and Debouncing) 58

Hình 4.12 Lưu đồ giải thuật điều khiển xoay tấm pin 59

Hình 4.13 Sơ đồ giải thuật đọc encoder hiển thị tốc độ gió 62

Hình 5.1 Hệ thống thực nghiệm 63

Hình 5.2.Dụng cụ đo thứ 1 dùng để đo dòng trong quá trình thực nghiệm 63

Hình 5.3 Dụng cụ đo thứ 2 dùng để đo dòng, áp, công suất, cos 64

Hình 5.4.Dụng cụ đo thứ 3 dùng để đo dòng, áp, công suất, cos 64

Hình 5.5.Thiết bị tiêu thụ điện AC dùng trong quá trình thực nghiệm 64

Hình 5.6 Kết quả đo công suất thực nghiệm của thiết bị 2 68

Hình 5.7.Kết quả đo công suất thực nghiệm của thiết bị 3 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tiềm năng gió Việt Nam, độ cao 65m so với mặt đất 9

Bảng 2.1 Bảng so sánh giữa tua bin gió trục đứng và tua bin gió trục ngang 22

Bảng 2.2 Bảng so sánh giữa tua bin gió Savonius và tua bin gió Darrieus 23

Bảng 2.4 Bảng so sánh giữa pannel trục đơn và pannel trục kép 25

Bảng 3.1 Điện sử dụng của 1 hộ gia đình 36

Bảng 3.1 Thông số động cơ 40

Bảng 3.2 Kích thước cơ bản của tua bin 44

Bảng 5.1 Kết quả đo bước 1 65

Bảng 5.2 Kết quả đo bước 2 66

Bảng 5.3 Kết quả đo bước 3 67

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Một trong những yếu tố quan trọng để duy trì sự sống trên Trái Đất và thiết yếu cho sự tiến bộ của xã hội loài người là năng lượng Do đó, trong những năm gần đây, năng lượng đã trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nước, nhất là khi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt

Tiến sĩ Walter Kohn, người được trao giải Nobel Hoá học năm 1998 và đang làm việc tại Trường đại học California, phân hiệu tại Santa Barbara, đã lưu ý rằng dầu mỏ

và khí thiên nhiên, hiện nay vẫn đang cung cấp khoảng 60% tổng năng lượng toàn cầu

và được dự đoán là từ nay cho đến 10 – 30 năm sau vẫn chiếm một tỷ trọng cao nhất Sau đó, hai nguồn nhiên liệu này sẽ giảm tỷ lệ một cách nhanh chóng

Nhiều thập kỷ qua, cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học, quân sự… việc tiêu thụ năng lượng cũng tăng lên một cách đáng kể Cùng với đó, các vấn đề ô nhiễm môi trường, sự nóng lên Trái Đất, biến đổi khí hậu…đã, đang và sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự sống còn của thế hệ tương lai Vấn đề đặt ra là phải tìm kiếm những nguồn năng lượng mới – năng lượng tái tạo, không gây ô nhiễm môi trường và không gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Năng lượng mặt trời và năng lượng gió đã nhận được sự chú ý đặc biệt của các nhà khoa học các nước và đã có nhiều cuộc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng thành công

“Những nghiên cứu và phát triển liên tục các nguồn năng lượng thay thế sẽ

nhanh chóng thúc đẩy sự xuất hiện một kỷ nguyên mới trong Lịch sử loài người, trong

đó hai nguồn điện tái sinh là điện gió và điện mặt trời sẽ đóng góp áp đảo trong ngành năng lượng” Một nhà khoa học đã từng được giải Nobel đã nói như vậy tại Hội

nghị lần thứ 240 của Hội Hoá học Mỹ

Sự kết hợp giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ là xu hướng khai thác năng lượng tái tạo trong tương lai vì đây là hai nguồn năng lượng sạch và vô tận đối với con người Nhưng nếu chỉ khai thác một trong hai nguồn năng lượng trên thì lượng điện sinh ra sẽ bị gián đoạn và không ổn định Vì năng lượng mặt trời chỉ có thể khai thác vào ban ngày (ban đêm không có nắng), chưa kể điều kiện thời tiết thất thường

khi mưa bão, khi mây nhiều nắng ít Tương tự, năng lượng gió khai thác được cũng không ổn định vì vận tốc gió và hướng gió thay đổi theo mùa, khác biệt giữa ban ngày

và ban đêm (ban đêm vận tốc gió thổi lớn hơn ban ngày)

Nhận thấy sự kết hợp năng lượng gió và mặt trời sẽ mang lại hiệu quả khai thác tốt hơn Đồng thời, cùng với niềm đam mê trong lĩnh vực cơ điện tử cũng như mong muốn áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế, em đã quyết định chọn và thực hiện

đề tài này

1.2 Giới thiệu chung về năng lượng gió và năng lượng mặt trời

1.2.1 Năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất Năng lượng gió cũng là một hình thức gián tiếp của năng lượng của mặt trời Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất

Do Trái Đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đều nhau, làm nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau Mặt khác, vào ban đêm, một nữa bề mặt của Trái Đất bị che khuất nên không nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt còn lại là ban ngày nên cường độ bức xạ cao hơn Thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và đất liền luôn có sự khác nhau Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động và sự chuyển động của không khí được gọi là gió

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng

mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại

Ngoài ra, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng nhanh hơn nước, tạo nên sự khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay sông, hồ vào

đất liền Vào ban đêm đất nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này có chiều ngược lại

Cách đây hàng trăm năm, con người đã biết sử dụng năng lượng gió để di chuyển bằng thuyền buồm, khinh khí cầu, tạo ra công cơ học làm quay cối xoay gió, tua bin điện – gió,…

Hình 1.1 Các ứng dụng của năng lượng gió [1]

1.2.2 Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo cực kỳ quan trọng và cần thiết đối với sự sống trên Trái Đất nói chung và sự phát triển của xã hội loài người nói riêng Nó cũng là nguồn gốc của các loại năng lượng tái sinh khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều của các dòng sông… Trong phạm vi nào đó, có thể nói năng lượng mặt trời là vô tận đối với con người Nhưng để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết về các tính chất và đặc trưng cơ bản của nó, đặc biệt là khi tới bề mặt Trái Đất

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 3,968.1026J (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 triệu C

Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu:

- Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin mặt trời

- Thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng

1.2.3 Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời

Một máy phát điện tua bin gió lai năng lượng mặt trời là một giải pháp thay thế nguồn năng lượng tương lai Nó sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió để tạo ra một nguồn năng lượng độc lập tin cậy và nhất quán Năng lượng mặt trời

và năng lượng gió là hai trong số những nguồn năng lượng có trữ lượng lớn nhất trên hành tinh Cả hai đều là những nguồn năng lượng tái tạo dồi dào quanh năm ở tất cả các lĩnh vực

Trong khi năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió sử dụng một mình có thể biến động nhưng khi được sử dụng chung với nhau nó cung cấp một nguồn năng lượng đáng tin cậy Ở nhiều khu vực,khi mặt trời mạnh nhất là lúc tốc độ gió thấp và ngược lại khi tốc độ gió cao nhất là ánh nắng mặt trời là yếu nhất (vào mùa đông) Giải pháp hoàn hảo là kết hợp hai nguồn năng lượng để tạo ra một dòng chảy năng lượng không đổi Hệ thống hybrid nàycân bằng các biến động về năng lượng để cung cấp cho một dòng chảy năng lượng ổn định cao hơn

Máy phát điện tua bin gió lai năng lượng mặt trời sử dụng tấm pin mặt trời thu ánh sáng và chuyển đổi nó thành năng lượng cùng với các tua-bin gió thu thập năng lượng từ gió Bộ điều khiển phụ trách việc sạc năng lượng trước khi nó được lưu trữ trong các ngân hàng pin Một biến tần, thay đổi dòng điện từ DC đến AC , hoặc xen kẽ hiện nay là loại năng lượng được sử dụng trong hầu hết các gia đình và các doanh nghiệp

1.3 Tiềm năng về năng lượng gió và năng lượng mặt trời ở Việt Nam

1.3.1 Khảo sát gió ở Việt Nam

Tốc độ gió: Là đại lượng biểu thị mức độ chuyển động ngang nhanh hay chậm của không khí tương ứng với bề mặt trái đất

Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilo–mét trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot(kt: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ

1 kt = 1,852km/h = 0,514 m/s

1mph= 1,609344 km/h = 0,8690 kt = 0,447 m/s

Hướng gió là chiều chuyển động của không khí thổi tới điểm quan trắc và thường

là từ vùng áp cao tới vùng áp thấp Hướng gió được biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam , bắc hoặc theo gốc là lấy hướng bắc làm mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ Như vậy , hướng đông ứng với 900 , hướng nam ứng với góc

1800 và hướng tây ứng với góc 2700

Hoạt động của gió mùa nước ta :

*Gió Tín phong:

- Nguồn gốc: từ trung tâm cao áp trên biển Thái Bình Dương thổi về Xích đạo

- Hướng gió: Đông Bắc thời gian hoạt động: quanh năm

*Gió mùa mùa đông:

- Nguồn gốc: khối không khí lạnh xuất phát từ trung tâm cao áp Xibia di chuyển vào nước ta

- Hướng gió: Đông Bắc - Tây Nam Thời gian hoạt động: từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau Phạm vi hoạt động: từ dãy Bạch Mã ra Bắc

- Đặc điểm:

+ Vào đầu mùa đông (tháng 11, 12, 1): có đặc tính lạnh, khô, mang lại thời tiết lạnh, khô cho miền Bắc

+Nửa sau mùa đông, Gió này thổi qua biển sau đó mới đi vào đất liền mang theo hơi ẩm từ biển gây nên thời tiết lạnh ẩm, mưa phùn cho vùng ven biển và đồng bằng ở miền Bắc

- Tính chất: Gió mùa Đông Bắc chỉ hoạt động từng đợt, không kéo dài liên tục, cường độ mạnh nhất vào mùa đông, ở miền Bắc hình thành mùa đông kéo dài 2-3 tháng Khi di chuyển xuống phía Nam, loại gió này suy yếu dần bởi bức chăn địa hình

là dãy Bạch Mã

* Gió mùa mùa hạ ( Gió mùa Tây Nam):

- Nguồn gốc: xuất phát từ trung tâm áp thấp Ấn Độ - Mianma hút gió từ Bắc Ấn

Độ Dương qua vịnh Bengan vào nước ta

- Hướng gió: Tây Nam, thời gian hoạt động: từ tháng 5 - 10

- Đặc điểm :

+ Đầu mùa hạ, khối khí nhiệt đới ẩm từ Bắc Ấn Độ Dương di chuyển theo hướng Tây Nam xâm nhập trực tiếp và gây mưa lớn cho Đồng bằng Nam Bộ và Tây Nguyên, ngoài ra khi vượt dãy Trường Sơn còn gây hiệu ứng cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Tây Bắc với kiểu thời tiết khô, nóng

+ Giữa và cuối mùa hạ (từ tháng 6): Gió mùa Tây Nam xuất phát từ cao áp cận chí tuyến bán cầu Nam hoạt động mạnh Khi vượt qua vùng biển xích đạo, khối khí này trở nên nóng ẩm hơn, thường gây mưa lớn và kéo dài cho các vùng đón gió ở Nam

Bộ và Tây Nguyên, cùng với dải hội tụ nhiệt đới gây mưa lớn cho cả 2 miền Nam, Bắc

và mưa vào tháng 9 cho Trung Bộ

+ Riêng miền Bắc, do áp thấp Bắc Bộ, khối khí này di chuyển theo hướng Đông Nam vào Bắc Bộ tạo nên "gió mùa Đông Nam" vào mùa hạ ở miền Bắc nước ta Gió hầu như có mặt khắp nơi Tuy nhiên tính chất gió tùy thuộc nhiều yếu tố khác nhau và thường phân bố không đều trên quy mô lớn cũng như trong từng địa phương Tiềm năng gió lớn nhất trên thế giới nằm ở vùng hàn đới và cực đới Tại những vùng này, cường độ gió trung bình từ 7 m/s đến 11 m/s Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa

1.3.2 Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam

Thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió ở Việt Nam: nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa, có bờ biển chạy dài giáp với biển Đông Gió tại vùng biển Đông Việt Nam khá mạnh và thay đổi theo mùa khi so sánh tốc độ gió trung bình tại đây với các vùng biển lân cận

Kết quả khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á của Ngân hàng thế giới trong chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á Theo đó, tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thuỷ điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm

2020

Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam

có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia Trong khi Việt Nam có hơn 39% tổng diện tích được ước tính có diện tích gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m Đặc biệt hơn, hơn 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá là tốt đến rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9% và ở Thái Lan cũng chỉ là 0,2%

Theo nghiên cứu của Ngân hàng thế giới (WB), hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió của nước ta là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Gió vùng này không những có vận tốc trung bình lớn mà còn có một thuận lợi khác Đó là số lượng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định Đây là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển năng lượng gió Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió Nam và Đông Nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6-7m/s, tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3-3,5MW

Hình 1.2 Biểu đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam, độ cao 80m

Bảng 1.1 Tiềm năng gió Việt Nam, độ cao 65m so với mặt đất

Tốc độ gió trung bình Thấp

<6m/s

Trung bình 6-7m/s

Tương đối cao 7-8m/s

Cao 8-9m/s

Rất cao

>9m/s Diện tích (Km2) 197.242 100.367 25.679 2.178 111

Vùng duyên hải Bắc Bộ từ Quảng Ninh, Hải Phòng đến Thanh Hóa, duyên hải Nam Bộ là những vùng có tiềm năng đáng kể, vận tốc gió từ 4-6m/s, phù hợp với tua- bin có công suất trung bình

Việt Nam vẫn còn 4,5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu, vùng xa vẫn chưa có điện Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện thì dự kiến đến năm 2010, vẫn còn đến trên 1000 xã (trong tổng số hơn 9000 xã ) đại diện cho 500.000 hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người vẫn chưa có lưới điện quốc gia

Như vậy căn cứ tình hình năng lượng và bản đồ phân bố tốc độ gió đã khảo sát ở trên thì mô hình máy phát điện công suất nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam Sau đây là những lý do vì sao phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ ở Việt Nam:

- Có thể giải quyết được ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần đáng kể trong tổng số 4,5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện Đặc biệt là các cụm dân cư độc lập mà việc hòa lưới điện sẽ rất tốn kém

- Việt Nam có hàng ngàn km bờ biển, tâp trung nhiều khu đô thị, cụm dân cư ven biển có nguồn gió phù hợp với mô hình phát triển máy phát điện gió công suất nhỏ (4m/s-6m/s) Đối tượng này nếu được khai thác tốt sẽ giảm đáng kể áp lực lên lưới điện quốc gia

- Các hộ dân cư trên các đảo nhỏ, tàu thuyền đánh cá nhỏ có thể tự chủ nguồn năng lượng cho chính mình với giá thành thấp hơn việc dùng máy phát diesel như hiện nay

- Chi phí đầu tư cho máy phát điện công suất nhỏ rẻ hơn so với tấm pin mặt trời

1.3.3 Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng Mặt Trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao

Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất

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

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một

số nhà máy điện nguyên tử… Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế Những chuyển biến gần đây cho thấy ứng dụng, khai thác năng lượng mặt trời đã có những bước tiến mới

Hình 1.3 Biểu đồ bức xạ mặt trời và tiềm năng của Việt Nam

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

1.4 Tìm hiểu về tua bin gió và pin năng lượng mặt trời

1.4.1 Tua bin gió

1.4.1.1 Khái niệm

Tua bin gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng Máy năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi gián tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió

Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều, loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng

Máy phát điện tua bin gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của tua bin gió

1.4.1.2 Phân loại

Về cơ bản có thể chia tua bin gió theo nhiều hình thức khác nhau: theo cấu tạo hoạt động, theo công suất, hay theo số cánh quạt Tuy nhiên, có thể chia tua bin gió theo hai loại cơ bản sau đây: tua bin gió trục ngang và tua bin gió trục đứng

Tua bin gió trục ngang:

Hình 1.4 Tua bin gió trục ngang downwind và upwind

So với tua bin gió trục đứng, tua bin gió trục ngang được thiết kế và sử dụng rộng rãi hơn

Một số đặc điểm tua bin gió trục ngang:

- Đây là loại tua bin có công suất cao

- Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW

- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s – 25m/s

- Chiều cao cột chống tua bin 6m (loại công suất nhỏ), 120m (loại công suất lớn)

- Tua bin gió ở quy mô nhỏ thường sử dụng loại upwind tua bin

Hình 1.5 Upwind tua bin

Ưu điểm: Tránh được vùng tĩnh phía sau tháp

Hạn chế: Cánh tua bin phải có độ cứng nhất định để không bị uốn cong về phía trụ tháp, đặt ở một khoảng cách nhất định so với tháp

Tua bin gió trục đứng:

Hình 1.6 Tua bin gió trục đứng Đây là loại tua bin phát triển trong thời gian gần đây:

- Dải vận tốc gió hoạt động từ 3-40m/s

- Chiều cao tua bin dưới 30m

- Dễ duy tu, bảo dưỡng, thay thế

- Trong quá trình vận hành ít gây tiếng ồn hơn loại tua bin trục ngang

1.4.1.3 Một số loại tua bin gió

Trên thế giới việc sử dụng máy phong điện đã được thực hiện từ các thế kỷ trước

và thường dùng các loại phổ biến do các nhà khoa học cổ điển nghiên cứu tìm ra như: Darrieus, Savonius, Gorlov, Giromill…Tương ứng là các loại turbine mang tên các nhà khoa học phát minh ra, đặc điểm một số loại turbine thường gặp:

Tua bin gió Savonius:

Hình 1.7.Tua bin gió Savonius Tua bin Savonius là loại tua bin gió đơn giản nhất, gồm hai hoặc nhiều nửa hình trụ lắp đối diện theo hình chữ S, lệch tâm so với trục quay và có khe hở giữa hai cánh

để không khí qua suốt tua bin, không tạo trở lực Sự lưu thông này vừa có tác dụng vừa đẩy vừa phản hồi áp lực gió thổi vào bề mặt hai cánh tạo thành ngẫu lực quay Momen quay giúp tua bin gió khởi động ở vận tốc gió thấp Tuy nhiên momen của tua bin lại không đồng đều theo hướng của hai cánh Khi hai cánh song song với hướng gió, momen tối thiểu, tua bin không thể khởi động được Để khắc phục điều này người

ta gắn nhiều tua bin Savonius xếp chồng lên nhau Như vậy lúc nào cũng có một tua bin hướng theo một hướng thuận với sự khởi động của tua bin gió

Tua bin xoắn Gorlov:

Hình 1.8 Tua bin gió Gorlov Hiệu suất cao hơn 35% so với các tuabin trục đứng khác Lực xoắn nhỏ, giảm tiếng ồn, giảm rung động, độ cứng vững cao

Tua bin gió kiểu Darrieus:

Hình 1.9 Tua bin gió kiểu Darrieus Động cơ gió loại này do kỹ sư người Pháp là Darrieus sáng chế năm 1925 Ưu điểm nổi bật của động cơ gió Darrieus là kết cấu gọn nhẹ, động cơ gió loại này vẫn trong giai đoạn nghiên cứu để hoàn thiện nên chưa được ứng dụng rộng rãi bằng loại động cơ cánh khí động

Tua bin gió Giromill ( thuộc loại Darrieus ):

Hình 1.10 Tua bin Giromill ( H-rotor ) Không giống như tuabin Savonius, H-rotor sử dụng lực nâng được tao ra bởi hình dáng khí động học của cánh để làm quay tua bin

Nếu xét ở góc độ cánh quạt thì sự chuyển động tròn của cánh quạt sẽ hướng cánh quạt về phía đầu gió, nếu góc tới của gió và cánh quạt lớn hơn 0, thì thành phần lực nâng sẽ làm quay tua bin

Góc tới thay đổi theo hướng quay từ −20 đến 20 và không được vượt quá 20 Khi góc tới lớn hơn 20 thì luồng khí thổi dọc theo cánh quạt không còn tạo thành lớp khí để tạo lực nâng cánh quạt lên, gây xáo trộn làm cho tua bin ngưng hoạt động Loại này quay với tốc độ nhanh nhưng khả năng tự khởi động kém nên cần động

cơ khởi động hoặc gắn thêm tua bin Savonius đặt ở giữa Mômen 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, tạo ra nhiều tần số dao động tự nhiên Điều này rất nguy hiểm và cần được loại bỏ bằng bộ điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng cho rotor Độ dao động lớn dễ làm hư hỏng cánh quạt

Pin Mặt Trời có một lịch sử khá lâu đời, năm 1839 nhà vật lý người Pháp Antoine-César Becquerel đã đánh dấu cho sự phát triển của công nghệ Pin Mặt Trời Khi ông quan sát hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect) thí nghiệm với một điện cực rắn trong dung dịch điện phân, ông nhận ra rằng, điện thế tăng lên khi ánh sáng chiếu vào điện cực Đến năm 1883, Charles Fritts đã chế tạo Pin Mặt Trời đầu tiên bằng cách mạ vàng lên selenium (chất bán dẫn) Năm 1941 Russell Ohl chế tạo Pin Mặt Trời Silic đầu tiên với hiệu suất 1% Năm 1954, ba nhà nghiên cứu người Mỹ Gerald Pearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin, đã thiết kế thành công Pin Mặt Trời Silic với hiệu suất đạt 6% Đây là Pin Mặt Trời dạng bảng đầu tiên Phòng thí nghiệm Bell đã công bố chế tạo đầu tiên Pin Năng Lượng Mặt Trời Mới và đầu tư vào các dịch

vụ công cộng của Bell Solar Battery bắt đầu với hệ thống nhà cung cấp điện thoại vào

ngày 4 tháng 10 năm 1955 [4] Từ đó, Pin Mặt Trời được tập trung nghiên cứu và phát triển rộng khắp, đặc biệt là ở các nước Mỹ, Nhật, Úc Năm 1985 trường đại học Unversity of New South Wales chế tạo Pin Mặt Trời hiệu suất đạt 20% và đến năm

1999 đạt hiệu suất 24,7%

Hình 1.11.Tấm pin mặt trời 1.4.2.2 Phân loại

Cho đến nay, có rất nhiều dạng Pin Mặt Trời được chế tạo thành công bao gồm: Pin Mặt Trời hữu cơ, Pin Mặt Trời vô cơ, Pin Mặt Trời cảm ứng chất màu

Hình 1.12.Các dạng pin mặt trời Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay một số công trình xây dựng cánh đồng điện gió đã và đang tiến hành tại Việt Nam, điển hình là:

- Cánh đồng điện gió Tuy Phong – Bình Thuận do công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư với công suất 120 MW gồm 80 tua bin điện gió Fuhrlander 1.5 MW Giai đoạn I đã hoàn thành vào năm 2011 với 20 tua bin

- Cánh đồng điện gió Gia Lai do cong ty Highland wind power JSC đầu tư với công suất 40.5 MW

- Cánh đồng điện gió Côn Đảo 1 do công ty Aerogie.plus với công suất 7 MW

- Cánh đồng điện gió Song Tử Tây – Trường Sa Lớn với 10 công suất 3.5 KW giai đoạn 1 và 118 tua bin cùng loại giai đoạn 2

Nhà máy phát điện bằng sức gió đầu tiên ở Việt Nam được đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, Hải Phòng, có công suất 800 KW với vốn đầu tư khoảng 0,87 triệu USD Trạm phong diện ở huyện Quảng Xương - Thanh Hoá và hai huyện thuộc tỉnh Gia Lai, công suất mỗi tổ máy khoảng 500A Hiện nay, chúng ta đang xây dựng các

máy phong điện ở khắp các nơi trên các miền hải đảo, miền trung và ở các tỉnh Quảng Trị, Bình Định, Bình Thuận…

Cùng với việc sử dụng máy phong điện còn có hàng loạt các đề tài nghiên cứu nhằm tìm ra biện pháp nâng cao hiệu quả của máy phong điện ở Việt Nam Các đề tài nghiên cứu trong nước:

- Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công

suất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”, 2004 của nhóm nhà khoa học

thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ đề tài Nội dung đề tài này đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trạm phong điện kiểu trục ngang với công suất thiết kế 10 – 30 kw phù hợp với điều kiện Việt Nam Đề tài này chưa áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ

- Đề tài KC 07.04: “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để sử dụng

năng lượng gió trong sản suất, sinh hoạt nông nghiệp và bảo vệ môi trường”

2006, của KS Nguyễn Tấn Anh Dũng, thuộc Viện Khoa học và Thủy lợi Đề tài nghiên cứu turbine gió trục ngang, số lượng cánh lớn Nội dung đề tài dùng turbine gió để kéo các máy bơm nứớc và chạy máy sục khí trong ao nuôi trồng con tôm Vậy, đề tài này chưa nghiên cứu turbine kiểu trục đứng và áp dụng cho việc sử dụng năng lượng gió để phát ra điện năng

- Đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy

phong điện công suất 10KW”, 2009, luận văn Thạc sỹ của Chu Đức Quyết,

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Nội dung đề tài đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với biên dạng cánh phẳng và cho phép xoay quanh trục cho máy phong điện kiểu trục đứng Chưa tính toán cho 19 máy phong điện công suất nhỏ (3kw), chưa sử dụng biên dạng cánh cong và cánh có phương hứng gió cố định

Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với công suất là 9

kW, trong đó PMT là 7 kW tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành

1.6 Mục tiêu, phạm vi của đề tài

Thiết kế phần cơ khí mâm xoay, gá đỡ, cố định

Thiết kế mạch điện cho mâm xoay

Thiết kế trụ và cánh tua bin gió cỡ nhỏ cho hộ gia đình dưới 200W

1.6.3 Phạm vi đề tài

Đề tài chỉ nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phát điện gió trục đứng kết hợp solar pannel với công suất điện phát ra từ tua bin gió 10W- 40W, hoạt động được trong vận tốc gió 4-6m/s, công suất điện từ một tấm pin là 80W

1.7 Tổ chức luận văn

Luận văn gồm có 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phân tích lựa chọn phương án

Chương 3: Cơ sở lý thuyết, phương án thiết kế và chế tạo cơ khí

Chương 4: Thiết kế sơ đồ điện và điều khiển

Chương 5: Thử nghiệm, đánh giá và hướng phát triển đề tài

Tài liệu tham khảo

Chương 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Nội dung chương 2 sẽ bao gồm hai phần: phần một trình bày về việc phân tích và lựa chọn các phương án của tua bin gió Phần 2 trình bày về việc phân tích và lựa chọn các phương án của pin mặt trời

2.1 Phân tích và lựa chọn các phương án của tua bin gió

2.1.1 So sánh giữa tua bin gió trục đứng và tua bin gió trục ngang

Bảng 2.1 Bảng so sánh giữa tua bin gió trục đứng và tua bin gió trục ngang

Tua bin gió trục đứng Tua bin gió trục ngang

-Tốc độ khởi động từ 1.5 – 3 m/s

-Lực tác động vào cánh quạt phân bố đều,

trục quay ít bị cong vì trọng lượng của hệ

thống trục

-Hoạt động không lệ thuộc vào hướng

gió, nên không cần thiết bị chỉnh tua bin

theo hướng gió

-Hệ số công suất Cp thấp,chỉ đạt khoảng

15% đối với tua bin Savonius

-Cánh quạt có cấu hình giản dị, dễ sản

-Hoạt động lệ thuộc vào hướng gió, nên cần thiết bị chỉnh tua bin theo hướng gió

-Hệ số công suất Cp cao, có thể đạt đến 52%

-Cánh quạt có cấu hình phức tạp, khó sản xuất và kinh phí cao

-Tốc độ vòng quay cao hơn tua bin gió trục đứng

-Độ ồn phát sinh cao nên không thể lắp đặt ở khu dân cư

-Việc bảo trì và thay thế thiết bị gặp nhiều khó khăn vì ở vị trí cao

Sau khi phân tích với mục tiêu ban đầu là thiết kế tua bin có công suất nhỏ nên vận tốc khởi động càng nhỏ càng có lợi Ngoài ra, do lắp đặt ở hộ gia đình nên độ ồn

cũng là tiêu chí phải quan tâm Vì vậy tua bin gió trục đứng được chọn vì kết cấu nhỏ gọn và đơn giản không cần cơ cấu chỉnh theo hướng gió

2.1.2 Lựa chọn loại tua bin gió trục đứng

Bảng 2.2 Bảng so sánh giữa tua bin gió Savonius và tua bin gió Darrieus

Hình ảnh

Mật độ công suất 175 (windside company) 470 (turby company)

Phát xạ âm thanh 20 (Dba) >70 (Dba)

lực khí động học

Tốc độ tối đa Giới hạn bởi tốc độ gió Giới hạn bởi lực ly tâm

Loại thiết bị khởi

động

Tự khởi động Được khởi động từ hệ thống hỗ

trợ

Ưu điểm -Biên dạng cánh dễ thiết kế

-Giá thành tương đối thấp, dễ bảo hành, sửa chữa

-Trụ tháp thấp hơn tua bin Darrieus

-Biên dạng cánh được thiết kế theo biên dạng cánh máy bay -Công suất cao hơn loại tua bin Savonius

Nhược điểm Công suất thấp hơn tua bin

Darrieus

-Thiết kế biên dạng cánh phức tạp

-Trụ tháp cao hơn tua bin Savonius

Sau khi phân tích ưu nhược điểm của hai loại tua bin gió trục đứng, ta chọn biên dạng cánh tròn kiểu Savonius vì dễ thiết kế, có thể tự khởi động, độ ồn thấp và giá thành rẽ

Ta chọn bộ truyền cho tua bin gió là bộ truyền đai Bởi vì nối trục đàn hồi không thế đáp ứng cho truyền chuyển động giữa 2 trục song song, còn bộ truyền xích thì khi làm việc phải bôi trơn thường xuyên, sai số lớn khi đảo chiều và phát ra tiếng ồn, nên cũng không được chọn

Trong bộ truyền đai có nhiều loại: đai dẹt, đai thang, đai răng

Ta chọn bộ truyền đai răng cho mô hình vì:

- Chống trượt tốt hơn các bộ truyền đai khác

- Kích thước nhỏ gọn

- Tỉ số truyền lớn, hiệu suất cao

Hình 2.1 Bộ truyền đai răng 2.2 Phân tích và lựa chọn các phương án khung pin năng lượng mặt trời 2.2.1 Phân tích và lựa chọn phương án giữa pannel trục đơn và trục kép Các hệ thống có bộ định hướng có thể đạt công suất gần như tối đa suốt thời gian hoạt động vào những ngày nắng, quang mây trong khi hệ thống có mặt thu cố định chỉ đạt công suất tối đa trong một vài giờ trong giữa ngày

Hệ thống pin mặt trời có bộ định hướng theo vị trí mặt trời sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn so với hệ thống có mặt thu cố định vào các giờ buổi sáng và buổi chiều Điều đó chỉ ra rằng các dàn pin có bộ định hướng sẽ cần công suất đặt nhỏ hơn

so với các dàn pin lắp cố định mà vẫn sản sinh ra cùng mức điện năng

Hình 2.2 Mô hình 1 trục và mô hình 2 trục định hướng theo mặt trời

Thị trường hiện nay, có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng, hệ thống định hướng theo trục đơn, và hệ thống định hướng theo trục kép Hệ thống định hướng theo một trục duy nhất sẽ định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây trên một trục đặt theo hướng Bắc Nam Hệ thống trục kép định hướng Đông sang phía Tây

và định hướng theo phía Bắc đến phía Nam

Qua nghiên cứu các tài liệu, đánh giá ưu khuyết điểm của các hệ thống định hướng theo vị trí mặt trời trên thế giới đề tài đã phân tích để đi đến lựa chọn một phương án thiết kế chế tạo hệ thống, căn cứ phân tích như dưới đây

Bảng 2.4 Bảng so sánh giữa pannel trục đơn và pannel trục kép

-Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông

sang Tây bằng cách sử dụng một trục duy

nhất

-Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời

tới 34%

-Thiết kế đơn giản hơn cần ít cảm biến và

động cơ hơn, chương trình điều khiển dễ

hơn

-Chi phí thấp hơn so với trục kép

-Giảm thấp khả năng hư hỏng

-Bảo dưỡng thấp

-Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây, và phía Bắc đến phía Nam bằng cách sử dụng hai trục quay -Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 37%

-Thiết kế phức tạp hệ thống các cảm biến và điều khiển động cơ

-Chi phí đầu tư cao hơn do các bộ phận

bổ sung và thời gian lắp đặt.Chi phí bảo trì cao hơn

-Các bộ phận bổ sung thêm tăng thêm khả năng hư hỏng

Dựa trên những phân tích, so sánh trên đây, đề tài lựa chọn phương án hệ thống một trục quay định hướng theo vị trí mặt trời

Các nghiên cứu của thế giới đã chỉ ra hệ thống định hướng theo trục kép chỉ có thể tăng thêm thêm 3% năng lượng so với trục đơn Với chi phí thiết bị, chi phí bảo trì cao hơn, và có thời gian ngừng để sửa chữa cao, hệ thống định hướng theo trục kép thực tế có thể ít khả năng phát triển mạnh như loại một trục

2.2.2 Tấm pin quay theo hướng mặt trời

Nhờ được thiết kết hệ thống có thể tự động điều chỉnh góc quay của tấm pin hướng mặt thu năng lượng mặt trời theo vị trí của mặt trời để thu được nhiều năng lượng Thiết kế, chế tạo hệ thống tự động điều chỉnh góc quay bề mặt thu của thiết bị pin mặt trời

Hệ thống sẽ hoạt động một trong hai trạng thái sau:

- Nếu có ánh nắng, hệ thống sẽ tự nhận biết ánh nắng bằng cảm biến quang trở được chiếu sáng, thiết bị sẽ tự động dò vị trí mặt trời và điều chỉnh để cho mặt phẳng tấm pin Mặt trời vuông góc với tia sáng của mặt trời Khi mặt trời di chuyển vị trí, hệ thống sẽ tự động nhận biết và thay đổi theo

- Nếu trời không có nắng, hệ thống sẽ tự động chuyển sang chế độ điều chỉnh hướng của mặt phẳng tấm pin mặt trời theo rơle thời gian thực

Sau khi lựa chọn xong các phương án cơ khí của tua bin gió và hệ thống pin mặt trời, công việc kế tiếp là sẽ tính toán, thiết kế và chế tạo theo những phương án đã chọn Những nội dung này sẽ được trình bày trong chương tiếp theo

Chương 3: CƠ SỞ THIẾT KẾ, THIẾT KẾ VÀ

CHẾ TẠO CƠ KHÍ 3.1 Cơ sở thiết kế

3.1.1 Cơ sở thiết kế tua bin gió trục đứng

Năng lượng gió là nguồn năng lượng do chuyển động của không khí với một tốc

độ trong một thời gian nhất định.Theo định luật Bezt (Nhà vật lý người Đức –Albert Bezt 1885-1968) về động lực học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất cả sang một nguồn năng lượng khác

Học thuyết Albert Betz: Đây là học thuyết cơ bản để xác định khí động học trên

máy phát điện bằng sức gió Học thuyết cho ta biết phương pháp và công thức tính lực gió tác dụng, tính công suất rotor Các lý thuyết chung đầu tiên về turbine gió được xây dựng bởi A Betz của Viện nghiên cứu Gottingen Betz cho rằng rotor gió là lý tưởng, nó không có mayơ và có số cánh vô tận và không tạo ra lực cản tới sự di chuyển của gió khi đi qua nó

Vậy, đây là một máy biến đổi năng lượng sạch Ngoài ra, các điều kiện trên tổng diện tích quét bởi rotor giả thiết là không đổi và tốc độ của gió đi qua rotor đều làm cho trục quay Rotor gió lý tưởng ta cần chú ý đến một số yêu tố như: trục, cánh, bộ phận cột đỡ, các cơ cấu khác, bố trí địa điểm trong môi trường lưu động Xét khí động học gió tác động lên cánh rotor như hình vẽ sau:

Hình 3.1.Khí động học cánh rotor

Trong đó:

V - là vận tốc gió thực tế di chuyển qua rotor và giả thiết gió đều tới diện tích quét của cánh (S)

V1-Vận tốc gió trước khi di chuyển qua rotor

V2 - Vận tốc gió sau khi di chuyển qua rotor

S1 - Diện tích mặt cắt của gió trước khi di chuyển qua rotor

S2 - Diện tích mặt cắt của gió sau khi di chuyển qua rotor

Việc chế tạo các rotor gió chỉ có hiệu quả khi lực của gió đi qua rotor bị giảm đi, như vậy V2 phải nhỏ hơn V1 Kết quả là diện tích mặt cắt ngang của cơn gió di chuyển qua rotor tăng lên từ đầu cơn gió tới cuối cơn gió hay S2 lớn hơn S1

Nếu giả sử rằng cơn gió là không nén được, điều kiện liên tục (khối lượng gió là hằng số) ta có thể viết được:

Như vậy thấy rằng, công suất có được từ động năng Sự biến thiên của động năng

từ đầu cơn gió đến cuối cơn gió có giá trị:

dP/dV2 = 0 có 2 trường hợp xảy ra:

- Thứ nhất: V2 = - V1 thì bài toán không có ý nghĩa vật lý

- Thứ hai: V2 = V1/3 công suất đạt giá trị lớn nhất:

Trong đó là trọng lượng riêng của không khí, ta thay kg/m3

Pmax = 8/27SV13 = 0.37SV13 (3.9) Động năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v là:

Trong đó: E: động năng của năng lượng gió (Nm)

m: khối lượng không khí (Kg)

v: tốc độ gió (m/s) Thể tích của không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là:

Công suất gió đi qua mặt phẳng A là:

Trong đó: P công suất (W)

ρ:mật độ không khí (ρ = 1.1225 kg/m )

A: diện tích quét (diện tích mặt đón gió của cánh quạt, m )

Đối với tua bin gió trục ngang diện tích quét là hình tròn Còn đối với tua bin gió trục đứng diện tích quét là hình chữ nhật

Ý nghĩa công thức:

- Năng lượng gió tỷ lệ thuận với khối lượng riêng không khí

- Năng lượng gió tỷ lệ thuận với diện tích quét của cánh

- Điều đáng chú ý là năng lượng gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và

vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió

Công suất gió thực tế mà tua bin gió thu được:

P 1

Trong đó: C được gọi là hệ số công suất, tức là tua bin chỉ có thể chuyển đổi một lượng C động năng của gió thành năng lượng cơ khí làm quay tua bin.C còn được gọi là giới hạn Bezt hay định luật Bezt với C lý tưởng là 0.59.Công suất của các máy phát điện ngày nay khoảng 30-45%

Hiệu suất của máy phát điện gió:

Hình 3.2 Công suất tua bin gió