Nghiên cứu, xây dựng mô hình máy phát điện đơn giản chạy bằng sức gió

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐƠN GIẢN CHẠY BẰNG SỨC GIÓ Họ, tên sinh viên chịu trác

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN

ĐƠN GIẢN CHẠY BẰNG SỨC GIÓ

Họ, tên sinh viên chịu trách nhiệm chính: Nguyễn Mạnh Hùng

Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử Khóa học: 55 Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ

Quảng Bình, năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN

ĐƠN GIẢN CHẠY BẰNG SỨC GIÓ

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật - Ứng dụng

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài:

1 Nguyễn Mạnh Hùng - Lớp: Đại học Kỹ thuật Điện - Điện Tử K55

2 Từ Ngọc Thịnh - Lớp: Cao đẳng CNKT Điện - Điện Tử K55

3 Phan Văn Thiết - Lớp: Cao đẳng CNKT Điện - Điện Tử K55

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngọc Dũng

Quảng Bình, năm 2016

MỤC LỤC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN 4

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN 7

CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 7

A MỞ ĐẦU 8

1 Lý do chọn đề tài 8

2 Lịch sử vấn đề nghiên cứu 8

3 Mục tiêu nghiên cứu 8

4 Nội dung nghiên cứu 9

5 Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu 9

6 Quá trình nghiên cứu 9

B NỘI DUNG 10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ 10

1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới 10

2 Tình hình năng lượng gió ở Việt Nam 11

3 Tìm hiểu về máy phát điện gió 12

CHƯƠNG II: TÌM HIỀU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 15

1 Giới thiệu chung 15

2 Cấu tạo 15

3 Nguyên lý làm việc 18

1 Biến áp nguồn 19

2 Điện trở 20

3 Tụ điện 21

4 Cuộn dây 22

5 Diode 22

6 Tranzitor 23

7 Mosfet 24

8 IC TL494 25

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ 26

1 Thiết kế hệ thống máy phát điện gió sử dụng động cơ một chiều công suất nhỏ 26

2 Thiết kế, lắp đặt mô hình thực nghiệm 29

C KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008

Hình 1.2 Sự phát triển của công suất điện gió trên thế giới theo khu vực

Hình 1.3 Các trạm năng lượng gió đặt tại Việt Nam

Hình 1.4 Máy phát điện gió trục đứng và trục ngang

Hình 1.5 Máy phát điện gió trục đứng và trục ngang

Hình 2.1 Cấu tạo stato máy điện một chiều

Hình 2.2 Cấu tạo rôto máy điện một chiều

Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều

Hình 3.1 Biến áp nguồn

Hình 3.2 Cấu trúc đơn giản của một điện trở

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế của một số loại điện trở

Hình 3.4 Cấu tạo của tụ điện

Hình 3.5 Hình ảnh thực tế của một số loại tụ điện

Hình 3.6 Hình ảnh thực tế của một số loại cuộn cảm

Hình 3.7 Cấu tạo và ký hiệu điốt

Hình 3.8 Cấu tạo và ký hiệu tranzitor

Hình 3.9 Cấu tạo và ký hiệu mosfet

Hình 3.50 Cấu tạo bên trong IC TL494

Hình 4.6 Sơ đồ khối hệ thống phát điện công suất nhỏ

Hình 4.7 Hình mô phỏng cánh quạt gió

Hình 4.3 Hình ảnh thực tế động cơ xe đạp điện loại 24V

Hình 4.4 Sơ đồ mạch chuyển đổi 12V(DC)-220V(AC) sử dụng IC TL494

Hình 4.5 Sơ đồ mạch chuyển đổi 12V(DC)-220V(AC) sử dụng IC 4047

Hình 4.6 Một số cơ cấu truyền động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

Năm học: 2015-2016

1 Thông tin chung

- Tên đề tài: Nghiên cứu, xây dựng mô hình máy phát điện đơn giản chạy bằng sức gió

- Sinh viên thực hiện:

1) Nguyễn Mạnh Hùng

Lớp : Đại học Kỹ thuật Điện - Điện tử K55

Khoa : Kỹ thuật – Công nghệ

Năm thứ : 3

2) Từ Ngọc Thịnh

Lớp : Cao đẳng CN Kỹ thuật Điện - Điện tử K55

Khoa : Kỹ thuật – Công nghệ

Năm thứ : 3

3) Phan Văn Thiết

Lớp : Cao đẳng CN Kỹ thuật Điện - Điện tử K55

Khoa : Kỹ thuật – Công nghệ

Năm thứ : 3

- Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngọc Dũng

2 Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu về hệ thống máy phát điện gió

- Đưa ra được phương án thiết kế một máy phát điện chạy bằng sức gió đơn giản có thể áp dụng được trong thực tế

3 Kết quả nghiên cứu

- Xây dựng được mô hình một hệ thống máy phát điện sức gió đơn giản trên lý thuyết

- Đề xuất các linh kiện đơn giản dễ kiếm cho mô hình máy phát điện đơn giản trong thực tế

- Lắp đặt thực nghiệm và chạy thử hệ thống máy phát công suất nhỏ

4 Tính mới và sáng tạo

Từ những kiến thức lý thuyết tổng hợp được, đề tài đề xuất một hệ thống máy phát điện giá dễ lắp đặt, giá thành rẻ có thể áp dụng thực tế

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài

Đề tài có khả năng ứng dụng cho các hộ gia đình góp phần tiết kiệm được điện năng sử dụng từ lưới

Ngày tháng 04 năm 2016

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

Nguyễn Mạnh Hùng

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn về những đóng góp khoa học của đề tài:

Trưởng khoa

Ngày 14 tháng 04 năm 2016

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Ngọc Dũng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN

Họ và tên: Nguyễn Mạnh Hùng

Sinh ngày: 02/05/1994

Nơi sinh: Châu Hóa - Tuyên Hóa - Quảng Bình

Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử

Lớp: ĐH Kỹ thuật Điện - Điện tử Khóa: 55

Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ

Địa chỉ liên hệ: Lớp Đại học Kỹ thuật Điện - Điện tử K55

Điện thoại: 0968940873 Email: manhhungdhqbk55@gmail.com

- Giải thưởng sao tháng giêng cấp trường năm 2015

- Giấy chứng nhận nghiên cứu khoa học cấp khoa năm học 2014-2015

- Giải nhì cuộc thi sinh viên sáng tạo năm học 2014-2015

- Giấy chứng nhận nghiên cứu khoa học cấp trường năm học 2014-2015

A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng gia tăng, nguồn năng lượng truyền thống (thủy điện, nhiệt điện…) ngày càng trở nên cạn kiệt Chính vì vậy việc nghiên cứu xem xét khai thác nguồn năng lượng tái tạo có ý nghĩa rất quan trọng về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và môi trường Việt Nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng về phát triển năng lượng gió, việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng gió đã và đang được các cấp các ngành quan tâm đầu tư

Bên cạnh đó, giá thành điện trong nước ngày một tăng, việc sử dụng năng lượng điện của các hộ gia đình cũng ít nhiều ảnh hưởng đến kinh tế gia đình Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện các máy phát điện gió mini nhưng giá thành khá cao Việc nghiên cứu chế tạo một hệ thống cấp điện sử dụng sức gió đơn giản, dễ lắp đặt, giá thành rẻ cũng là phương án cần được quan tâm và phát triển

2 Lịch sử vấn đề nghiên cứu

Trong những năm gần đây, cùng với chính sách bảo vệ môi trường và phát triển bền vững, ứng dụng năng lượng gió đã và đang được chú trọng phát triển ở nhiều quốc gia trên thế giới Việt Nam cũng đã và đang triển khai các dự án năng lượng gió để hòa lưới điện, gần đây nhất là dự án năng lượng gió ở Quảng Trị với công suất 30MW Ở phương diện hẹp hơn, thị trường máy phát điện gió mini nhập khẩu trọn bộ với công suất vài KW cũng

nở rộ cùng với nhu cầu ngày càng nhiều của các hộ gia đình Chính vì vậy vấn đề ứng dụng năng lượng gió một cách tối ưu, hiệu quả đang được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực năng lượng sạch và tái tạo cũng như khắc sâu một số kiến thức về máy điện và linh kiện điện tử

- Trên cơ sở tính cấp thiết của đề tài, nhóm sinh viên muốn đưa ra một phương án thiết kế một máy phát điện chạy bằng sức gió đơn giản có thể áp dụng được trong thực tế

9

- Nâng cao kỹ năng vận dụng thực tế của sinh viên từ kiến thức lý thuyết đồng thời kích thích đam mê, yêu thích ngành nghề mình theo học

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về máy điện một chiều

- Nghiên cứu lý thuyết về bộ biến đổi sử dụng linh kiện điện tử

- Thiết kế xây dựng mô hình máy phát điện đơn giản chạy bằng sức gió

và mạch chuyển đổi DC/AC

5 Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: năng lượng gió, máy điện một chiều, mạch

chuyển đổi DC/AC

- Phạm vi nghiên cứu: xây dựng mô hình thực nghiệm máy phát điện gió có thể phát điện với công suất rất nhỏ và thiết kế lắp đặt mạch chuyển đổi 12V DC – 220V AC

- Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu lý thuyết kết hợp thử nghiệm trên mô hình thực tế

6 Quá trình nghiên cứu

- Tháng 9/2015 – 11/2015: Tìm hiểu thu thập tài liệu về thống máy phát điện gió, máy điện và linh kiện điện tử

- Tháng 12/2015: Nghiên cứu thiết kế mô hình máy phát điện chạy bằng sức gió có thể ứng dụng trong thực tế

- Tháng 01/2016 – 02/2016: Xây dựng, lắp đặt mô hình thực nghiệm máy phát điện công suất nhỏ

- Tháng 03/2016: Viết báo cáo

- Tháng 04/2016: Hoàn thiện và báo cáo đề tài trước Hội đồng nghiệm thu đề tài Sinh viên cấp Trường tại Trường ĐHQB

B NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG

MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ

1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới

Hiện nay nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn dần, đồng thời vấn đề gây ô nhiễm môi trường do việc đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm trọng Vấn đề năng lượng sạch đang được quan tâm nhiều và là một sự lựa chọn cho ngành năng lượng thay thế trong tương lai Nguồn năng lượng sạch đang được quan tâm như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều… Tất cả những loại năng lượng sạch này sẽ góp phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc sống nhân loại

và cải thiện môi trường Các hệ thống năng lượng này được xem như là một

sự lựa chọn thay thế cho các hệ thống cung cấp từ lưới điện quốc gia ở những vùng nông thôn biệt lập, nơi mà việc phát triển lưới điện không khả thi về mặt kinh tế, trong đó năng lượng gió được xem là nguồn năng lượng dễ khai thác với công nghệ đơn giản và chi phí đầu tư và vận hành tương đối thấp

Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng lượng từ mặt trời đến trái đất khoảng 173,1 tỷ KW còn năng lượng từ gió ước tính khoảng 3.500 tỷ

KW Trên toàn bộ bề mặt hành tinh của chúng ta, năng lượng có thể khai thác được từ gió lớn hơn năng lượng toàn bộ các dòng sông trên trái đất từ 10 đến

20 lần

Năng lượng gió đã được khai thác và ứng dụng từ rất lâu dùng để chạy bơm nước, thuyền buồm, các cối xay gió đã xuất hiện từ thế kỷ 12 Từ đó đến nay việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sử dụng năng lượng gió ngày càng phát triển với tốc độ ngày càng nhanh cả về số lượng lẫn chất lượng

Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và năng lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió, giúp giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước

11

Hình 1.1 trình bày công suất sản xuất từ điện gió trên thế giới trong khoảng thời gian từ 1996 đến 2008 Tổng lượng công suất sản xuất trên thế giới vào năm 2009 là 159,2 GW, với 340 TWh năng lượng, xác nhận mức tăng trưởng 31% mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế toàn cầu đang gặp nhiều khó khăn

Hình 1.1 Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008

Hình 1.2 Sự phát triển của công suất điện gió trên thế giới theo khu vực

2 Tình hình năng lượng gió ở Việt Nam

Nằm trong khu vự nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió Trong chương trình đánh giá năng lượng cho châu Á, Ngân hàng thế giới có đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam 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, Campuchia Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm

năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Thái Lan là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Campuchia là 0,2%

Tổng điện năng điện gió của Việt Nam là 513.600 MW tức là bằng hơn

200 lần công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng dự báo ngành điện vào năm 2020 Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục

vụ cho phát triển kinh tế ở những vùng khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Nếu so sánh con số này với nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan có 9% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Đây quả thật là ưu đãi dành cho Việt Nam mà chúng ta chưa nghĩ đến cách tận dụng

Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án diện gió với dự kiến sản xụất 20

GW Nguồn điện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được phân phối và quản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam Tuy nhiên những tuabin gió trên đều có công suất nhỏ khoảng vài KW mức độ thành công không cao vì không được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng yêu cầu

Hình 1.3 Các trạm năng lượng gió đặt tại Việt Nam

3 Tìm hiểu về máy phát điện gió

3.1 Tìm hiểu chung

Tua bin gió là thiết bị chuyển động năng trong gió thành năng lượng cơ học Nếu năng lượng này được sử dụng trực tiếp thì nó được gọi là cối xay gió, còn nếu năng lượng này được chuyển đổi thành điện năng thì nó được gọi

là máy phát điện dùng sức gió (WEC)

Dựa theo cấu tạo, người ta thường phân loại WEC ra thành 2 loại:

- WEC trục đứng: là loại máy phát có trục quay chính của roto chạy

13

theo chiều dọc Do cấu tạo của nó nên các thiết bị có thể đặt đưới mặt đất không cần có tháp để đỡ máy phát, bộ phận bánh răng,…; không cần cơ cấu phụ để hướng hệ thống theo chiều gió Tuy nhiên tốc độ quay chậm do nhiễu loạn gió ở gần mặt đất và khó đóng tua bin vào tháp đỡ

- WEC trục ngang: là loại máy có trục quay tua bin hướng theo phương ngang

Hình 1.4 Máy phát điện gió trục đứng và trục ngang

3.2 Cấu tạo

Hình 1.5 Máy phát điện gió trục đứng và trục ngang

Một WEC điển hình có cấu tạo như sau:

- Hệ thống cánh quạt, công nghệ mới cánh quạt có thể điều chỉnh góc quay bằng hệ thống điều khiển

- Trục quay chính được gắn thẳng vào roto

- Bộ phận bánh răng (chuyển đổi cơ học) dùng để tăng tốc cho trục quay phụ

- Trục quay phụ này gắn vào rotor máy phát điện (thường là máy điện nam châm vĩnh cửu) tạo ra dòng điện

- Vỏ bọc để bao bọc kết cấu của máy, phần đuôi có gắn 1 bộ cảm biến

để đo tốc độ gió và đuôi để điều chỉnh hướng cho WEC (đối với máy trục ngang) Vỏ bọc này kết nối với tháp đỡ thông qua hệ thống vòng trục bi giúp máy tự do điều chỉnh hướng

- Bộ phận phanh giảm tốc thường kết hợp với bộ phận cảm biến và hệ thống điều khiển (thường ít sử dụng trong máy nhỏ) dùng để giảm tốc rotor

Lưu ý đối với cách lắp đặt này cần có thêm 1 diod bán dẫn để ngăn không cho máy phát hoạt động ngược lại ở chế độ động cơ (pin sạc quay ngược lại cấp điện cho cánh quạt quay)

3.3.2 Máy phát điện AC

Dòng điện sinh ra ban đầu của tuabin gió tuy là dòng AC nhưng có biên

độ và tần số không ổn định nên cũng không thể trực tiếp sử dụng ngay mà cần phải chuyển đổi nó Dòng điện thô khi ra khỏi tua bin gió sẽ được đưa vào

15

máy biến tần biến nó thành dòng thích hợp để cấp cho hệ thống Cũng có thể đưa dòng điện ra từ máy phát qua cầu chỉnh lưu để chuyển thành dòng DC để nạp cho pin DC Từ đó có thể chuyển đổi thành dòng AC tùy theo mục đíc sử dụng

CHƯƠNG II: TÌM HIỀU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 Giới thiệu chung

Người ta có thể định nghĩa máy điện một chiều như sau: Là một thiết bị điện từ quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi cơ năng thành điện năng một chiều (máy phát điện) hoặc ngược lại để biến đổi điện năng một chiều thành cơ năng trên trục (động cơ điện)

Trong nền sản xuất hiện đại máy điện một chiều vẫn luôn luôn chiếm một vị trí quan trọng, bởi nó có các ưu điểm sau:

Đối với động cơ điện một chiều: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, bằng phẳng vì vậy chúng được dùng nhiều trong công nghiệp dệt, giấy, cán thép,

Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện một chiều cho động cơ điện một chiều, làm nguồn kích từ cho máy phát điện đồng bộ, dùng trong công nghiệp mạ điện vv

Nhược điểm: Giá thành đắt do sử dụng nhiều kim loại màu, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp