(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ MINH HOÀNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KẾT HỢP NĂNG LƯỢN

TỔNG QUAN

Tổng quan năng lượng gió

2.1.1 Tiềm năng gió Việt Nam

Trong năm 2001, Ngân hàng Thế giới tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước Việt Nam - Lào - Campuchia - Thái Lan nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho khu vực [6] Bản nghiên cứu này với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn và dữ liệu từ phần mềm mô phỏng MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65 m và 30 m cách mặt đất

Hình 2.1: Bản đồ gió tại độ cao 65 m [20]

Hình 2.2: Bản đồ gió tại độ cao 30 m [20]

Theo kết quả từ bản đồ năng lượng gió này, tiềm năng gió của Việt Nam là lớn nhất so với 3 nước còn lại: hơn 39% tổng diện tích Việt Nam được ước tính có diện tích gió trung bình hằng năm lớn hơn 6 m/s ở độ cao 65 m, tương đương với tổng công suất 512 GW Đặc biệt hơn, hơn 8% diện tích Việt Nam, được xếp có tiềm năng gió rất tốt như bảng 2.1

Bảng 2.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất [6] Ở độ cao 30 m và 65 m, nơi có tiềm năng lớn để phát triển phong điện là vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên đặc biệt là khu vực rộng lớn tiếp giáp 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận, duyên hải Nam Trung Bộ mà tiềm năng lớn nhất là Ninh

Thuận và Bình Thuận (vùng này có vận tốc gió trung bình lớn, xu hướng ổn định và có số lượng bão trong khu vực ít), xa hơn về phía bắc là khu vực hai tỉnh Quảng Bình và Quảng Trị Tại những khu vực này gió mạnh, vận tốc 6 – 8 m/s phù hợp để lắp đặt các tuabin có công suất lớn (3 – 3,5 MW)

2.1.2 Tiềm năng gió tỉnh Bình Thuận Ở Bình Thuận tốc độ gió trung bình năm ở độ cao 10 m trên đất liền dao động từ 1,6 - 3,2 m/s, còn ở huyện đảo Phú Quý thì tương đối lớn tốc độ trung bình năm là 5,6 m/s, với dao động các tháng trong năm từ 2,9 - 8,0 m/s Tháng có tốc độ gió trung bình lớn nhất thường là vào thời kỳ gió mùa Đông bắc (tháng 1, tháng 2, tháng 3), vùng ven biển dao động trong khoảng 3,9 m/s; đi sâu vào đất liền thì dao động trong khoảng 1,6 - 1,9 m/s [2]

Bảng 2.2: Tốc độ gió trung bình tỉnh Bình Thuận Đơn vị: m/s

Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TB năm Phan Thiết 3,9 3,9 3,9 3,3 2,8 3,0 3,0 3,3 2,6 2,4 3,0 3,2 3,2

Bảng 2.3: Năng lượng trung bình của gió tại các trạm Phan Thiết, Phú Quý Đơn vị: W/m 2

Nhận xét: Tỉnh Bình Thuận nằm trong khu vực nội chí tuyến gió mùa, có địa hình phía Đông tiếp giáp biển, là nơi chịu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ gió mùa mùa Đông và gió mùa mùa Hè, nên tốc độ gió trung bình của khu vực này tương đối cao, phù hợp việc phát triển phong điện công suất nhỏ phục vụ nhu cầu sinh hoạt tối thiểu cho hộ gia đình.

Tổng quan về máy phát điện gió

2.2.1 Các loại máy phát điện gió công suất nhỏ

Tuabin gió là thiết bị biến đổi động năng của không khí thành cơ năng, từ cơ năng biến đổi thành điện năng thông qua máy phát điện Máy phát điện dùng sức gió Tuabin gió công suất nhỏ (≤ 3,5 KW) thường dùng cho việc phát điện cho các hộ gia đình và có nhiều thiết kế khác nhau cho tuabin gió, được chia ra làm hai loại cơ bản là tuabin gió trục ngang (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbines) và tuabin gió trục đứng (VAWT – Vertical Axis Wind Turbines)

2.2.1.1 Tuabin gió trục ngang (HAWT)

Hình 2.3: Tuabin đón gió từ phía sau [9] Hình 2.4: Tuabin đón gió từ phía trước [9]

Tuabin gió trục ngang (HAWT) có rotor kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên trong thực tế kiểu loại 3 cánh quạt được sử dụng nhiều nhất vì cho hiệu quả cao nhất [9]

Tuabin gió trục ngang thường gồm hai loại chủ yếu: tuabin đón gió từ phía sau (down wind rotor) và tuabin đón gió từ phía trước (up wind rotor) Tuy nhiên tuabin đón gió từ phía sau có nhược điểm là dòng gió luôn bị xáo động làm cho lực tác động vào tuabin gió không được phân bố đều làm ảnh hưởng tới độ bền của cánh cũng như cả hệ thống, gây ra độ ồn cao Vì vậy, khoảng từ năm 1995 tuabin đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi Phần lớn những tuabin gió hiện đại được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước

2.2.1.2 Tuabin gió trục đứng (VAWT)

Tuabin gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm theo trục chính, loại nhỏ hoạt động không phát sinh tiếng ồn cao nên có thể lắp đặt tại khu dân cư, trên những nóc nhà cao,… Loại này không cần thiết phải có hệ thống điều chỉnh theo hướng gió, và có thể hoạt động với bất kỳ hướng gió nào và tuabin tùy theo loại có thể khởi động ở tốc độ gió khoảng 0,5 m/s [9] Cơ bản gồm các loại tuabin: Savonius, Giromill, Gorlov,… a) Tuabin Savonius b) Tuabin Giromill c) Tuabin xoắn Gorlov

Hình 2.5: Các loại tuabin gió trục đứng 2.2.2 So sánh HAWT và VAWT

- Về cơ bản, các loại tuabin gió sẽ bao gồm các thành phần như ở hình 2.6

1 Chiều gió đến của HAWT 2 Đường kính rô to

3 Chiều cao của Hub 4 Cánh rô to

9 Chiều gió phía sau rô to 10 Chiều cao rô to

11 Tháp VAWT 12 Độ cao kính xích đạo

13 Cánh rô to với góc bước cố định 14 Móng rô to

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản tuabin trục đứng và trục ngang [11]

- Ưu nhược điểm của hệ thống HAWT và VAWT được thể hiện ở bảng 2.4

Bảng 2.4: So sánh HAWT và VAWT Chỉ tiêu kinh tế & kỹ thuật

Công suất Phù hợp công suất lớn Phù hợp công suất nhỏ

Vận tốc gió Vận tốc gió khác nhau Vận tốc gió cao

Moment khởi động Nhỏ Lớn

Sử dụng Phổ biến Ít

Giá thành sản xuất Lớn Nhỏ

Từ cấu tạo và các ưu nhược điểm trên ta có một số nhận xét sau:

- Việc chọn mô hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào tiềm năng gió tại nơi vị trí lắp đặt và các chỉ tiêu thiết kế

- Máy phát điện gió công suất nhỏ cần đảm bảo được các yêu cầu như: kích thước nhỏ, có thể phát điện khi tốc độ gió thấp, bền, ít duy tu bảo dưỡng

- Để đáp ứng các yêu cầu này ta thấy loại Savonius là loại máy phát điện gió trục đứng phù hợp.

Tổng quan năng lượng mă ̣t trời tại Việt Nam, tỉnh Bình Thuận

2.3.1 Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt nam kéo dài từ vĩ độ 8 – 23 vĩ độ Bắc, nằm trong khu vực nhiệt đới, có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời Số giờ nắng trung bình năm (hrs/year) tại các vùng miền có sự khác nhau tùy vào điều kiê ̣n đi ̣a hình và thời tiết, tuy nhiên, nhìn chung số giờ nắng khá cao và năng lượng qui đổi trên mỗi đơn vi ̣ diê ̣n tích thuộc hàng cao trên thế giới

Vớ i sự trải dài từ bắc xuống nam của lãnh thổ đi ̣a lý nước ta, sự phân bố về năng lượng mă ̣t trời được phân ra thành 5 khu vực đi ̣a lý khác nhau Các đă ̣c trưng về năng lượng mă ̣t trời được đưa ra như trong bảng 2.5 bên dưới

Qua bảng 2.5 ta rú t ra được các nhâ ̣n xét sau:

- Khu vực Bắc Bô ̣ thấp nhất do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc vào mùa đông và do cách xa đường xích đạo hơn các khu vực còn la ̣i

- Khu vực Nam Bộ, từ Đà Nẵng trở vào, bức xạ mặt trời và số giờ nắng cao hơn

- Nhìn chung, tiềm năng năng lượng mă ̣t trời ở Việt Nam là khá tốt, nếu được phát triển đúng mức thì đây sẽ là nguồn năng lượng có khả năng đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng cho xã hô ̣i hiê ̣n đa ̣i trong tương lai gần

Bảng 2.5: Phân bố năng lượng mă ̣t trời ta ̣i các vùng trên lãnh thổ Viê ̣t Nam [23]

2.3.2 Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Bình Thuận

Tỉnh Bình Thuận nằm trong khoảng từ 10 0 33 ' 42 " đến 11 0 33 ' 18'' vĩ độ Bắc, được thừa hưởng một chế độ mặt trời nhiệt đới mà tiêu biểu là hiện tượng hàng năm mặt trời đi qua thiên đỉnh 2 lần và độ cao mặt trời thay đổi không nhiều trong cả năm như bảng 2.6 Ngoài ra do nằm trong khu vực nội chí tuyến nên độ dài ban ngày (từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn) ở Bình Thuận biến đổi trong khoảng

11 - 13 giờ, thời gian ban ngày ở Bình Thuận cũng khá dài và ít thay đổi trong năm, tháng có độ dài ban ngày dài nhất là tháng 6, ngắn nhất là tháng 1 như bảng 2.7 [2]

Bảng 2.6: Ngày mặt trời qua thiên đỉnh - Hiện tượng tròn bóng lúc giữa trưa [2]

Vĩ độ bắc Lần thứ nhất Lần thứ hai

Bảng 2.7: Thời gian mặt trời chiếu sáng vào ngày 15 hàng tháng [2] Đơn vị: giờ Tháng Địa danh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Hà Nội 10,9 11,3 11,9 12,5 13,0 13,3 13,2 12,7 12,2 11,6 11,0 10,7 Phan Thiết 11,4 12,1 12,3 12,3 12,5 13,0 12,6 12,4 12,1 12,0 11,5 12,2 TP,HCM 11,4 11,7 11,9 12,2 12,5 12,6 12,6 12,4 12,1 11,8 11,5 11,4

Bức xạ tổng cộng là giá trị tổng hợp của bức xạ trực tiếp và khuyếch tán Hằng năm, ở Bình Thuận trị số này có thể đạt tới 140 – 150 kcal/cm 2 /năm; đạt cực đại vào khoảng tháng 3 – 4 (16 – 18 kcal/cm 2 /tháng), gắn liền với thời kỳ độ cao mặt trời lên cao, thời tiết ít mây, bầu trời trong sáng

Bảng 2.8: Lượng bức xạ tổng cộng thực tế [2] Đơn vị: kcal/cm 2 Tháng Địa danh

Tổng số giờ nắng năm ở Bình Thuận khá cao, dao động từ xấp xỉ 2,700 – 2,755 giờ, trung bình hàng tháng có 174 – 297 giờ nắng Tháng 3 là tháng có số giờ nắng cao nhất 284 – 297 giờ, đây là thời kỳ hoạt động mạnh của lưỡi áp cao cận nhiệt đới, chi phối thời tiết ít mây, nắng nhiều Tháng 9 là tháng có tổng số giờ nắng thấp nhất 183 – 193 giờ, đây là thời kỳ mùa mưa lũ chính vụ ở tỉnh Bình Thuận Mùa khô số giờ nắng cao hơn mùa mưa, trung bình thời kỳ này dao động từ 210 –

297 giờ (riêng Phú Quý tháng 12 đạt 174 giờ)

Bảng 2.9: Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm [2] Đơn vị: giờ

Nhận xét: Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời trong phạm vi tỉnh Bình Thuận nhận được trong năm là khá dồi dào, đặc trưng của vùng vĩ độ thấp thích hợp sử dụng công nghệ pin quang điện để chuyển đổi thành điện năng.

Tổng quan về pin quang điện

Pin quang điện hay thường gọi pin mặt trời hấp thụ bức xạ mặt trời biến đổi biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là các pin quang điện, được chế tạo ra từ các vật liệu bán dẫn điện Các pin quang điện sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời tới nó Các hệ thống năng lượng mặt trời đơn giản, không đòi hỏi phải bảo dưỡng chăm sóc thường xuyên như các hệ thống năng lượng khác… nên được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin quang điện Cấu táo một tấm pin quang điện hoàn chỉnh như hình 2.8 gồm: (1) khung, (2) hộp nối chống thấm nước, (3) nhãn thông số kỹ thuật, (4) lớp bảo vệ thời tiết tuổi thọ 30 năm, (5) tế bào pin quang điện, (6) lớp kính hấp thụ nhiệt bức xạ mặt trời, (7) đường dẫn điện bên ngoài, (8) độ hở chỉnh khung

Hình 2.7: Cấu tạo tế bào pin quang điện

Hình 2.8: Cấu tạo tấm pin quang điện [17]

Một khối PV (Photovoltaic) thường được tạo bởi 2 lớp vật liệu bán dẫn mà có thể là loại p hay loại n Có thể tham khảo cấu tạo của pin theo hình dưới đây:

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của pin quang điện [11]

Khi ánh sáng chiếu vào một tế bào của pin quang điện, với những photon có mức năng lượng thích hợp, nó làm bức các electron có trong phân tử của chất bán dẫn lớp n di chuyển sang lớp n, khi hai lớp p – n được nối kín, một dòng electron được hình thành chạy từ lớp p đến lớp n tạo ra dòng điện cung cấp cho tải Để có đủ công suất và điện áp thích hợp, ta cần ghép nối các tế bào thành một panel và ghép nối song song hay nối tiếp các panel thành các hệ thống pin quang điện lớn

2.4.1.4 Mô đun và hệ pin quang điện

Mô đun pin quan điện được tạo thành bằng cách ghép các tế bào quang điện lại với nhau Một hệ pin quang điện thường bao gồm nhiều mô đun

Hình 2.10: Một số tế bào pin quang điện ghép thành một mô đun, một số mô đun ghép thành một hệ pin quang điện [17]

Hình 2.11: Các phương pháp lắp đặt pin quang điện [17]

2.4.1.4 Phân loại pin quang điện

Trên cơ sở công nghệ chế tạo pin quang điện màng mỏng trên một số vật liệu quan trọng có 4 loại như sau [10]:

- Pin quang điện vô định Si (a-Si): Silicon ở trạng thái vô định hình có các tính chất hóa lý khác Si tinh thể Một pin quang điện màng mỏng a-Si là cấu trúc p- i-n chỉ cú độ dày nhỏ hơn 1 àm, rất tiết kiệm về mặt vật liệu Sự chế tạo cỏc lớp màng a-Si thường được thực hiện nhờ công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) từ hỗn hợp solan

Hình 2.12: Cấu trúc gấp của một pin quang điện vô định hình Si [10]

- Pin quang điện vô định hình bán dẫn hợp chất: Phần lớp các bán dẫn tạp chất thích hợp đối với pin quang điện vô định hình có độ dẫn loại n hay p Vì vậy việc tạo ra các lớp tiếp xúc pn hay p-i-n theo như phương pháp a-Si là không phù hợp, Đối với các pin quang điện màng mỏng bán dẫn hợp chất người ta thường phải dùng cấu trúc tiếp xúc khác chất (heterojunction) hoặc cấu trúc MIS (Metal – Isolation – Semiconductor)

- Pin quang điện trên cơ sở vật liệu CuInSe 2 : Pin quang điện vô định hình hệ CuInSe2 có hiệu suất tương đối cao được chế tạo bằng cách bốc hơi đồng thời

Cu, In và Se lên một đế thủy tinh đã phủ một lớp mỏng Mo và sau đó được kế tiếp một màng cửa sổ CdS hoặc (Zn Cd)S

Hình 2.13: Cấu trúc điển hình của một pin quang điện màng mỏng hệ CuInSe2 [10]

- Pin quang điện trên cơ sở vật liệu CdTe (CdTe): Ưu điểm của pin quang điện hệ CdTe là ít phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, các phương pháp chế tạo khác nhau cho pháp pin quang điện có phẩm chất không hơn kém nhiều Pin quang điện hệ CdTe có diện tích 1 – 4 cm 2 thu được hiệu suất từ 10 – 17%

Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc của một pin quang điện hệ vật liệu CdTe [10]

2.4.2 Ưu nhược điểm pin quang điện

Bảng 2.10: Ưu nhược điểm pin quang điện tinh thể silic và pin quang điện màng mỏng [23]

Nhận xét: Nên lựa chọn pin quang điện đơn tinh thể (mono) để đảm bảo hiệu suất làm việc và mang tính phổ biến, thông dụng trên thị trường Việt Nam.

Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời

Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời là hệ thống kết hợp việc sử dụng các thành phần chuyển đổi năng lượng gió (tuabin gió) và năng lượng bức xạ mặt trời (pin quang điện) thành điện năng

2.5.1 Các thành phần cấu trúc của hệ thống

Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời bao gồm các thành phần sau:

- Máy phát điện tuabin gió (gồm tuabin gió và máy phát điện - Dynamo)

- Bộ điều khiển sạc hỗn hợp giữa năng lượng gió và mặt trời (Controller Wind

- Cụm ắc quy lưu trữ điện năng

Hình 2.15: Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời

Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với công suất 8,6 kW tại Trường Đại học Bách khoa, Đà Nẵng

Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với công suất 9 kW tại Ga Nha Trang, Khánh Hòa

- Hệ thống này hạn chế được các yếu tố bất lợi và dung hòa về điều kiện tự nhiên của 2 nguồn năng lượng tái tạo (bức xạ mặt trởi – vận tốc gió) ở tại một thời điểm của không gian Năng lượng đều, ổn định trong cả năm (mùa đông ít ánh nắng nhưng nhiều gió, mùa hè nhiều nắng)

- Với sự kết hợp việc sử dụng năng lượng gió và mặt trời làm chi phí rẻ đi so với việc xây dựng hai hệ thống thu hai loại năng lượng riêng biệt.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tuabin gió

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 loại năng lượng khác [9]

Khi một khối lượng gió thổi vào tuabin làm cho cánh quạt quay, năng lượng của gió chuyển vào cánh quạt thành cơ năng Nguồn năng lượng mà gió chuyển vào cánh quạt phụ thuộc vào tốc độ gió, mật độ của không khí và diện tích mặt đón gió của cánh quạt [9] Động năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v là:

E = ẵ m.v 2 (Nm) (3.1) trong đó: E - Động năng của năng lượng gió (Nm) m - Khối lượng không khí (kg) v - Tốc độ gió (m/s)

Thể tích V của không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là: V = v.A (m 3 ) (3.2) Khối lượng không khí chuyển động phụ thuộc vào mật độ không khí m =  v.A (Kg) (3.3) công suất thu được từ khối lượng không khí chuyển động qua một mặt phẳng là:

 - Mật độ không khí (Kg/m 3 )

A - Diện tích quét (diện tích mặt đón gió của cánh quạt) (m 2 )

3.1.2 Hệ số công suất Cp

Xét mô hình khí động học của gió tác dụng lên cánh quạt như hình 3.1 trong điều kiện lý tưởng v-Vận tốc gió tại cánh quạt; v 1 -Vận tốc gió trước cánh quạt; v 2 -Vận tốc gió sau cánh quạt; A-Diện tích mặt đón gió tại cánh quạt;

A 1 -Diện tích mặt đón gió trước cánh quạt; A 2 -Diện tích mặt đón gió sau cánh quạt

Hình 3.1: Ống động lực học Bezt trong điều kiện lý tưởng [3] Để việc chế tạo các rotor gió có hiệu quả thì lực của gió đi qua rotor giảm, nghĩa là v2 phải nhỏ hơn v1

Với sự khác biệt của tốc độ gió trước và sau cánh quạt trong điều kiện lý tưởng (khối lượng được bảo toàn) thì: m =  v1 A1 = v2 A2 =  v.A (Kg) (3.5) Như vậy thấy rằng, công suất P có được đúng bằng sự biến thiên của động năng từ đầu cơn gió đến cuối cơn gió có giá trị:

P = ∆E = ẵ  v.A.(v1 2 – v2 2) = ẵ m.(v1 2 – v2 2) (W) (3.6) Vận tốc gió tại cánh quạt là:

Khối lượng không khí tại cánh quạt là: m =  v.A = ẵ  A (v1 + v2) (Kg) (3.8) Công suất P sẽ là:

P = ẵ  A (v1 + v2) ẵ (v1 2 – v2 2) (W) (3.9) Theo công thức (3.9) thì công suất P là hàm phụ thuộc vận tốc gió phía sau cánh quạt v2

Vi phân hai vế của phương trình (3.9) ta có:

2 dP 0 dv  có hai trường hợp xảy ra:

+ Thứ nhất: v2 = -v1 không xảy ra (3.11)

+ Thứ hai: v2 = v1/3 công suất đạt giá trị lớn nhất (3.12)

Hệ số công suất lý tưởng Cp được tính theo công suất thực của gió và công suất tuabin có thể đạt được:

Rút gọn biểu thức (2.13) ta có:

Theo (3.12) để công suất đạt cực đại khi v2/v1 = 1/3, thay vào (3.14) ta được:

Hệ số CP (power coefficient) tối đa là CP max/27=0,593 thường được gọi là hệ số Betz Như vậy một tuabin gió lý tưởng chỉ thu được 59,3% năng lượng từ gió Vậy công suất thực tế mà một tuabin gió thu được là:

Trong đó: Pt - Công suất (W)

 - Hệ số công suất của máy phát và của hệ thống truyền động

Cp - Hệ số Bezt Cp max = 0,593

 - Mật độ không khí = 1,225 (kg/m 3 ) v - Tốc độ gió (m/s)

A - Diện tích mặt đón gió của cánh quạt (m 2 )

3.1.3 Tỉ số tốc độ gió đầu cánh TSR

Do Cp là mối quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ rotor Mối quan hệ này chính là tỷ số giữa tốc độ quay của rotor tại tiếp tuyến của rìa cánh quạt với tốc độ gió mặt Còn được gọi tỉ số tốc độ gió đầu cánh TSR - Tip Speed Ratio là tỉ số giữa tốc độ vòng quay tại đầu cánh quạt và tốc độ của gió: v top R v v

Trong đó:  - Tỉ số tốc độ gió đầu cánh vtop - Tốc độ quay tại đầu cánh quạt v - Tốc độ gió (m/s)

 - Vận tốc góc của rotor (rad/s)

Theo [14], tỉ số tốc độ gió là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế một tuabin gió Rotor phải quay ở một tốc độ tối ưu để cho hiệu suất cao nhất Nếu tuabin quay với tốc độ quá chậm thì gió sẽ thổi qua khe hở giữa các cánh dẫn tới năng lượng thu được thấp Nếu tuabin quay với tốc độ quá nhanh, các cánh tạo thành một bức tường chắn gió và cũng làm giảm năng lượng thu được từ gió

Vậy vấn đề đặt ra là tuabin phải được thiết kế sao cho luôn vận hành với một  tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất

Tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất suy ra từ mối quan hệ:

- Thời gian gió xáo động khi qua cánh trở về bình thường, tw (s)

- Thời gian cần thiết để cánh quạt quay với vận tốc ω (rad/s) đến vị trí trước đó, ts (s)

Với rotor có n cánh, thì chu kỳ để cánh di chuyển đến vị trí trước đó là:

Cho rằng quãng đường luồng gió xáo động từ trước tới sau cánh quạt là At (m), thì thời gian để luồng gió trở về bình thường (có tốc độ của môi trường không khí) là: t w t A

Biết rằng hiệu suất đạt cực đại khi tw ≈ ts:

Vậy tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu được tính theo công thức: opt 2 opt t

Với: opt - Tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu

opt - Vận tốc quay tối ưu của rotor n - Số cánh

At - Độ dài của luồng gió động từ trước tới sau cánh quạt (m)

Do opt phải là số dương, theo công thức (3.20) ta suy ra số cánh càng ít thì tuabin quay càng nhanh (tỉ lệ nghịch) và công suất thu được từ gió là lớn nhất

Thông thường thì tỉ số t

3.1.5 Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió là đường công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra Thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng Thể hiện ở hình 3.2 các thông số trong đó:

- Vận tốc gió Cut-in (Vc): là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng ma sát và tạo công suất

- Vận tốc gió định mức (VR): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt đến giá trị VR, công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế Khi lớn hơn VR thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát

- Vận tốc gió Cut-out (VF) : Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡng VF thì hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không

Hình 3.2: Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió [11]

3.1.6 Lực tác dụng lên rotor

Khi gió tác động vào cánh với vận tốc V, sẽ tạo ra áp lực làm cho rotor quay Khảo sát lực tác dụng lên một cánh tại hai vị trí A, B đối xứng nhau qua tâm O (hệ trục tọa độ Oxy có gốc tọa độ đặt tại tâm trục rotor) như hình 3.3

 - góc hướng tâm (góc hợp bởi OA và OX) i - góc tới (góc hợp bởi vận tốc gió và dây cung cánh)

 - góc đặt cánh (góc hợp bởi dây cung cánh và phương hướng kính)

Hình 3.3: Lực tác dụng lên cánh [3]

Tính áp lực gió trên kỳ sinh công, xét lực tác dụng lên cánh tại vị trí A bao gồm:

- Lực gió tác dụng lên cánh: 1 1   2

- Lực cản do rotor quay: 2 2   2

- Vậy hợp lực của gió tác dụng lên cánh tại vị trí A là:

Tính áp lực gió trên kỳ cản công, xét lực tác dụng lên cánh tại vị trí B bao gồm:

- Lực gió tác dụng lên cánh: 1 2   2

- Lực cản do rotor quay: 2 2   2

- Vậy hợp lực của gió tác dụng lên cánh tại vị trí B là:

F - Lực tác động lên cánh tuabin (N)

 - Mật độ không khí (Kg/m 3 )

S - Diện tích hình chiếu bề mặt cản gió của cánh (m 2 )

C1 - Hệ số cản gió tác dụng lên bề mặt lõm của cánh, C1 = 2,3 [13]

C2 - Hệ số cản gió tác dụng lên bề mặt lồi của cánh, C2 = 1,2 [13]

Hệ thống pin quang điện

3.2.1 Các đặc trưng điện của pin quang điện

Pin năng lượng mặt trời được dùng chủ yếu là loại bán dẫn Silic với tiếp xúc p-n Với loại pin năng lượng mặt trời này, để thuận tiện trong việc tính toán, thiết kế, một mạch điện tương đương được đưa ra để thay thế pin quang điện

Hình 3.5: Mạch điện tương đương của pin quang điện [11]

Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V

3.2.1.2 Phương trình tương đương của pin quang điện

Dựa trên mạch điện tương đương của pin quang điện được đưa ra trong hình 3.5, một phương trình toán học được đưa ra để thể hiện mối tương quan giữa dòng điện và điện áp ngõ ra của pin quang điện

Is - Dòng bão hòa (A) q - Điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k - Hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K

TC - Nhiệt độ vận hành của pin (K)

A - Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ: công nghệ Si-mono A=1,2, Si-Poly A = 1,3…

3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin quang điện

Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:

Isc: Dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25 0 C (A) và bức xạ 1 kW/m 2

K1: Hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/ 0 C)

Tc: Nhiệt độ vận hành của pin quang điện (K)

TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin quang điện (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m 2 )

Mặt khác, dòng bão hòa I s là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin quang điện tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ

IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)

EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn Đối với pin quang điện lý tưởng, điện trở dòng rò Rsh = ∞, Rs = 0 Khi đó mạch điện tương đương của pin quang điện được cho bởi hình 3.6:

Hình 3.6: Mô hình pin quang điện một đi ốt lý tưởng [11]

Khi đó, biểu thức (2.31) có thể được mô tả như sau:

Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:

3.2.1.4 Phương trình tương đương của bộ pin quang điện

Công suất của tế bào pin quang điện thông thường khoảng 2 W và điện áp khoảng 0,5 V Vì vậy, các pin quang điện được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn Mạch điện tương đương của mô đun pin quang điện gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 3.7:

Hình 3.7: Mô đun pin quang điện [11]

Mạch điện hình 3.7 được miêu tả bởi biểu thức sau:

Pin quang điện chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin quang điện có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT- Normal Operating Cell Temperature) Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nhất định được mô tả như sau:

Hình 3.8: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau [11]

Hình 3.9: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau [11]

3.2.2 Góc nghiêng của dàn pin quang điện

Xác định góc nghiêng  của dàn pin quang điện so với mặt phẳng nằm ngang

Có thể xác định góc nghiêng tối ưu opt bằng công thức sau [10]:

INi: cường độ bức xạ trực tiếp (trực xạ) hàng ngày trung bình tháng của tháng thứ i φ: là vĩ độ vị trí lắp đặt δ i : là góc lệch trung bình tháng của tia mặt trời đối với mặt phẳng xích đạo của tháng thứ i

Trong thực nghiệm, góc  thường được xác định gần đúng như sau:

3.2.3 Xác định tổng năng lượng hàng ngày của hệ pin quang điện

Năng lượng hàng ngày dàn pin quang điện cần phải cung cấp cho hệ thống, được xác định theo công thức sau:: panel * t

Et: tổng điện năng phải cung cấp hàng ngày cho các tải k : Do tổn thất trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin quang điện cung cấp phải cao hơn Wh toàn tải, thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần, Thông thường chọn hệ số k = 1,3

3.2.4 Tính công suất của hệ pin quang điện (Watt Peak)

Trong đó: Is - Cường độ bức xạ trung bình hàng ngày, kWh/m 2 /ngày

3.2.5 Số lượng tấm pin quang điện

3.2.6 Tính số mô đun pin quang điện mắc song song và nối tiếp

Cần lựa chọn loại mô đun PV thích hợp có các đặc trưng cơ bản sau [5]:

- Thế năng làm việc tối ưu Vmd

- Dòng điện làm việc tối ưu Imd

Số mô đun PV cần dùng trong hệ thống được tính từ tỷ số

Số mô đun PV nối tiếp thành dãy trong hệ PV được xác định từ điện thế yêu cầu của hệ V: nt md

Còn số dãy mô đun ghép song song được xác định từ dòng điện toàn phần của hệ I: ss md

Tính, lựa chọn cụm điều khiển và lưu trữ điện năng

3.3.1 Dung lượng của ắc quy axit – chi

Dung lượng của ắc quy lại đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ điện năng Dung lượng có thể dung bằng Ampe – giờ (Ah) hoặc Oat – giờ (Wh)

- Dung lượng ampe – giờ: Dung lượng tính ra Ah của bộ ắc quy phụ thuộc vào thế làm việc của hệ V, số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng, gió) D, hiệu suất nạp phóng điện của ắc quy η b và độ sâu phóng điện thích hợp DOS và được tính theo công thức sau:

Tuy nhiên không nên chọn D quá lớn làm tăng chi phí đầu tư nhưng nếu chọn số ngày dự phòng nhỏ sẽ không cung cấp đủ điện năng dự trữ cho tải, thông thường D trong khoảng 3 – 10 ngày Độ sâu phóng điện DOS đối với ắc quy chì được chọn trong khoảng 0,6 – 0,7 Thông thường hiệu suất ắc quyη b = 0,85

Nếu V là hiệu điện thế làm việc của hệ thống nguồn, còn v là hiệu điện thế của mỗi bình ắc quy, thì số ắc quy mắc nối tiếp trong bộ là: nt n V

Số dãy bình mắc song song là ss b n C

Trong đó mỗi bình có dung lượng Cb tính ra Ah Tổng số bình ắc quy được xác định như sau:

V: điện thế của bộ ắc quy v: là điện thế của mỗi ắc quy

3.3.2 Công suất của bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter)

Chọn bộ Inverter phải có công suất đủ lớn để có thể đáp ứng được tất cả tải khi đều sử dụng cùng một thời điểm, thông thường có công suất bằng 125% công suất tổng tải Nếu có motor điện thì phải tính thêm công suất để chịu đươc dòng khởi động của motor Chọn Inverter có điện áp vào phù hợp với điện áp ra của ắc quy

Bộ điều khiển sạc là một thiết bị điện tử có chức năng kiểm soát tự động quy trình nạp và phóng điện của bộ ắc quy Bộ điều khiển sạc theo dõi trạng thái của ắc quy thông qua hiệu điện thế trên các cực của nó

Các thông số kỹ thuật chính dưới đây cần phải quan tâm [5]

- Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax: là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của bộ ắc quy đã được nạp điện đầy, dung lượng đạt 100% Khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho ắc quy thì ắc quy quá đầy Vì vậy, hiệu điện thế trên các cực ắc quy đạt V Vmax thì bộ điều khiển tự động cắt Sau khi hiệu điện thế bộ ắc quy giảm xuống giá trị ngưỡng, bộ điều khiển sạc lại tự động đóng mạch nạp sạc trở lại

- Ngưỡng cắt dưới Vmin: là giá trị hiệu điện thế trên hai cực bộ ắc quy khi ắc quy phóng đến giá trị cận dưới của dung lượng ắc quy, nếu tiếp tục sử dụng ắc quy nó sẽ bị phóng điện quá kiệt dẫn đến hư ắc quy Vì vậy, bộ điều khiển sạc nhận thấy hiệu điện thế bộ ắc quy V ≤ Vmin thì tự động ngắt mạch tải tiêu thụ Sau đó nếu hiệu điện thế ắc quy tăng lên trên giá trị ngưỡng, bộ điều khiển lại tự động đóng mạch sạc trở lại Đối với ắc quy chì-axít, hiệu điện thế chuẩn trên các cực của một bình là V 12 V, thì thông thường ta chọn Vmax = 14 – 14,5 V, còn Vmin = 10,5 – 11 V

- Công suất P của bộ điều khiển sạc thông thường nằm trong khoảng:

Trong đó Pt là tổng công suất các tải có trong hệ nguồn.

PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Phân tích yêu cầu

Giả định một hộ gia đình sử dụng các thiết bị điện phục vụ cho sinh hoạt thiết yếu được cho trong bảng 4.1, tổng nhu cầu sử dụng điện là 955 Wh/ngày

Bảng 4.1: Các thiết bị sử dụng điện thiết yếu trong hộ gia đình [25]

TT Tên thiết bị Số lượng

Số giờ sử dụng trong ngày (h)

Tổng công suất tiêu thụ (W)

4.1.2 Vị trí địa lý, khí hậu tại vị trí lắp đặt

Bình Thuận có tọa độ địa lý từ 10 o 33'42" đến 11 o 33'18" vĩ độ Bắc, từ

Tổng số giờ nắng năm khá cao, dao động từ xấp xỉ 2.700 – 2.755 giờ, trung bình hàng tháng có 174 – 97 giờ nắng, mỗi ngày trung bình có khoảng 7,4 – 7,6 giờ nắng, bức xạ trung bình đạt khoảng 5 kWh/m 2 /ngày Đồng thời, có nền nhiệt độ cao quanh năm, hầu hết vùng đồng bằng ven biển và các vùng núi thấp kế cận đều có nhiệt độ trung bình năm từ 25,9 – 27,8 0 C

Tốc độ gió trung bình năm trên đất liền dao động từ 1,6 – 3,2 m/s tại độ cao tham chiếu 10 m

4.1.3 Chọn tỉ lệ công suất định mức phát của hệ pin quang điện và tuabin gió

Do vị trí lắp đặt mô hình ở độ cao 12 m tại Trường Cao đẳng nghề tỉnh Bình Thuận có tọa độ địa lý (vĩ độ 10°56'34,2"N và kinh độ 108°05'32,5"E) phù hợp sử dụng năng lượng mặt trời, nhưng với tốc độ gió trung bình được đánh giá là thấp thì ít phù hợp để sử dụng năng lượng gió Vì vậy, phân chia công suất phát định mức bình quân hàng ngày từ hai tác nhân biến đổi năng lượng tái tạo thành điện năng của hệ thống hybrid là hệ pin quang điện và máy phát điện tuabin gió trên cở sở tổng tải tiêu thụ của hộ gia đình giả định là 955 Wh/ngày, như sau:

- Hệ pin quang điện: 80% (764 Wh/ngày)

Phương án thiết kế tuabin gió

- Tuabin gió trục đứng cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, ít duy tu bảo dưỡng, bền, nhẹ, chịu được khí hậu ngoài trời

- Không phụ thuộc vào hướng gió

- Hoạt động ổn định với tốc độ gió từ: 4 – 6 m/s

- Công suất điện phát ra từ: 20 – 60 W

4.2.2 Các phương án thiết kế

- Phương án 1: Tuabin gió trục đứng cánh tròn

Tuabin gồm có 5 cánh được chặt lên hai đĩa …

Hình 4.1: Mô hình tuabin gió trục đứng cánh tròn [3]

- Phương án 2: Tuabin gió trục đứng cánh NACA

Tuabin có các cánh được chế tạo theo biên dạng NACA

Hình 4.2: Mô hình tuabin gió trục đứng cánh NACA 4.2.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Từ các phương án trên, ta tiến hành so sánh dựa trên các tiêu chí như ở bảng 4.2

Bảng 4.2: Tiêu chí so sánh tuabin gíó trục đứng cánh tròn và cánh NACA

Tiêu chí so sánh Tuabin gió trục đứng cánh tròn

Tuabin gió trục đứng cánh NACA

Cấu tạo Đơn giản Đơn giản

Bảo trì, sửa chữa Dễ dàng Dễ dàng

Chi phí Thấp Trung bình

Tự khởi động Dễ dàng Khó

Hiệu suất Thấp Trung bình

Nhận xét: Ở công suất điện ra thấp khoảng 20 W – 60 W thì tuabin gió trục đứng cánh tròn tỏ ra phù hợp hơn hẳn vì nó có thể quay ở tốc độ gió nhỏ, đáp ứng công suất đầu ra với chi phí rẻ trong khi ở tuabin gió cánh NACA đắt hơn vì gia công cánh phức tạp nên lựa chọn phương án chế tạo tuabin gió trục đứng cánh tròn.

Phương án thiết kế hệ pin quang điện bám theo mặt trời

- Cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao, dễ vận hành, ít duy tu bảo dưỡng, bền, kinh phí đầu tư thấp, chịu được khí hậu ngoài trời

- Hệ điều khiển đơn giản,

- Hiệu suất để tiếp nhận bức xạ mặt trời cao

- Công suất tiêu thụ của hệ điều khiển thấp

4.3.2 Các phương án thiết kế

- Phương án 1: Hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục (Single-axis solar tracking system)

Hình 4.3: Mô hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục [18]

- Phương án 2: Hệ pin quang điện bám theo mặt trời hai trục (Dual axis solar tracking system)

Hình 4.4: Mô hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời hai trục [26]

4.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Từ các phương án trên, ta tiến hành so sánh dựa trên các tiêu chí như ở bảng 4.3

Bảng 4.3: Tiêu chí so sánh pin quang điện bám theo mặt trời một trục và hai trục

Tiêu chí so sánh Pin quang điện bám theo mặt trời một trục

Pin quang điện bám theo mặt trời hai trục

Cấu tạo Đơn giản Phức tạp

Bảo trì, sửa chữa Dễ dàng Khó

Hệ điều khiển Đơn giản Phức tạp

Hiệu suất Cao Khá cao

Tải tiêu thụ Thấp Cao

Nhận xét: Đối với hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục có cấu tạo và hệ điều khiển đơn giản, kinh phí đầu tư thấp nhưng vẫn đạt được hiệu suất cao nên lựa chọn làm phuong án chế tạo.

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – MẶT TRỜI

Tính toán, thiết kế tuabin gió

Theo mục 4.1.2, 4.1.3, 4.3.1 máy phát điện tuabin gió được lắp đặt ở độ cao

12 m và theo yêu cầu hoạt động ổn định với tốc độ gió từ 4 – 6 m/s, có công suất phát khoảng 20 – 60 W sau cho đảm bảo hệ thống điện gió cung cấp sản lượng năng lượng điện hàng ngày ≥ 191 Wh/ngày

5.1.1 Xác định diện tích quét

Theo công thức 3.15 chọn hệ thống máy phát điện có công suất định mức tối thiểu 20 W, ta có:

Cp Hệ số công suất Cp = 0,35

 Mật độ không khí = 1,225 (kg/m 3 ) η Hệu suất của hệ thống η = 0,76

A Diện tích quét của rotor, A= H x D = 0,56 m 2

Trong đó: H là chiều cao cánh tuabin (m)

D là đường kính của cánh tuabin (m)

5.1.2 Năng lượng điện nhận được hàng ngày từ hệ thống điện gió

Theo mục 2.1, 2.2 tốc độ gió trung bình hàng năm tại Phan Thiết 3,2 m/s ở độ cao 10 m và vị trí lắp đặt tuabin gió có độ cao 12 m tại Trường Cao đẳng nghề Bình Thuận với hệ số ma sát 0,3 do bề mặt địa hình khu đô thị có nhiều cây như bảng 3.1 và hiệu suất toàn cục hệ thống điện gió đạt 35%, áp dụng biểu thức 3.29, 3.30

- Tốc độ gió trung bình ở độ cao 12 m:

- Mật độ công suất gió trung bình nhận được ở độ cao 12 m:

- Năng lượng điện trung bình nhận được hàng ngày

Nhận xét: Vậy sản lượng năng lượng điện của hệ thống điện gió cung cấp đủ cho hệ thống hybrid là 216 Wh/ngày ≥ 191 Wh/ngày

5.1.3 Chọn góc đặt cánh β, số lượng và kích thước - biên dạng cánh

Theo kết quả đo thực nghiệm [3] và tính toán của [12] giữa góc đặt cánh và số vòng quay của rotor ở cùng một tốc độ gió ta thấy góc đặt cánh vào khoảng 20– 35 thì số vòng quay là cao nhất

- Cánh có hình dạng nửa đường tròn có: chiều dài cánh H = 0,8 m; chiều rộng cánh b = 0,3 x R = 0,105 m, với R là bán kính rotor (hình 5.1)

- Số lượng cánh quạt n = 9 cánh

- Chọn góc nghiêng của cánh so với đường hướng kính: β = 30 o (hình 5.2)

- Góc bố trí 2 cánh kề liền nhau: 40 o (hình 5.2)

Hình 5.1: Kích thước và biên dạng cánh

Hình 5.2: Bản vẽ thiết kế góc đặt cánh của đĩa gắn cánh quạt

Hình 5.3: Đĩa gắn cánh quạt 5.1.4 Số vòng quay của tuabin

TSR của tuabin Savonius từ 0,9 – 1,1 theo [12] và [19] Chọn TSR = 1

- Số vòng quay của tuabin gió với tốc độ gió 4, 6, 12 m/s:

Tính số vòng quay của tuabin ở tốc độ gió 12 m/s dùng để xác tính toán lựa chọn trục của tuabin gió

5.1.5 Lựa chọn máy phát điện (Dynamo) và xác định tỉ số truyền Để đảm bảo máy phát điện tuabin gió có công suất đầu ra nằm trong giới hạn

20 – 60 W hoạt động trong vùng tốc độ gió từ 4 – 6 m/s Chọn Dynamo có công suất phát định mức 100 W, 12 VAC, 3 pha

Bảng 5.1: Thông số của Dynamo Bpe-mg 100 W

P/NO, : BPE-PMG 100 Generation type: AC 3 Phase Rated Capacity: 100 VA Insulation Class: 200

Rated Voltage: 12 V Rated Current: 8 Amp

Shenzhen BestPower Energy Technology Co

Hình 5.4: Dynamo Bpe-mg 100 W, 12 VAC, 3 Pha

Hình 5.5: Biểu đồ giữa tôc độ vòng và công suất của Dynamo Bpe-mg 100 W,

12 VAC, 3 Pha theo đánh giá của nhà sản xuất [33]

Theo hình 5.5 để Dynamo đạt được công suất từ 20 – 60 W phải có vận tốc vòng trong khoảng 280 – 440 vòng/phút

- Tỉ số truyền (u) giữa trục tuabin gió ở tốc độ gió 4 m/s và Dynamo với vận tốc vòng là 280 vòng/phút là: 4 /

- Tỉ số truyền (u) giữa trục tuabin gió ở tốc độ gió 6m/s và Dynamo với vận tốc vòng là 440 vòng/phút là: 6 /

 n   Vậy cần chọn tỉ số truyền giữa tuabin gió và Dynamo là: n mp  3 n tb

5.1.6.1 Tính toán bộ truyền đai Để không xảy ra hiện tượng trượt trơn trong quá trình truyền động nên chọn đai răng với ký hiệu bước XL như hình 5.6

Hình 5.6: Đai răng ký hiệu bước XL

Vì tỉ số truyền giữa trục tuabin gió và trục máy phát là 1:3 nên chọn số răng trên bánh đai dẫn 60, số răng trên bánh đai bị dẫn 20 và khoảng cách giữa hai tâm bánh đai ước lượng khoảng 120 mm

Sử dụng công cụ tính toán Puli răng và đai răng trực tuyến (Pulley Centre Calculation) [28] Nhập các thông số đầu vào số răng trên bánh đai nhỏ, số răng trên bánh đai lớn, chọn bước răng và loại đai răng – chiều dài dây đai theo tiêu chuẩn

Hình 5.7: Kết quả tính toán puli răng và đai răng (Pulley Centre Calculation)

Thông số của puli răng và đai răng với ký hiệu bước XL theo [28], [29], như sau:

- Đường kính puli đai dẫn động d1 = 97,021 mm

- Đường kính puli đai bị dẫn d2 = 32,340 mm

- Khoảng cách thực giữa hai tâm puli a = 122,739 mm

Vậy chọn đai răng có ký hiệu 180XL-037 phù hợp với các thông số yêu cầu như trên

Hình 5.8: Bộ truyền đai răng hoàn chỉnh

5.1.6.2 Lực tác dụng lên trục

Theo công thức 3.15, ta có:

- Công suất thực tế của tuabin gió với tốc độ gió 4 m/s thu được là:

Theo mục 5.1.5 và 5.1.6.1, ta có: (d1 = 97,021 mm; n1 = ntb = 93,3 vòng/phút; d2 = 32,340 mm, n2 = nmp = 280 vòng/phút; a = 122,739 mm, giả sử hệ số ma sát của đai răng cao su f = 0,2)

- Công suất truyền của tuabin gió:

- Tính góc ôm trên bánh đai nhỏ:

- Lực tác dụng lên trục: Áp dụng phương trình Euler: 1 ' * 1

 (vỉ V < 10 m/s bỏ qua lực vòng Fv; hệ số ma sát thay thế f '  f Sin/ ( ) 0, 2 /Sin(30)0, 4)

Vậy lực tác dụng lên trục với tốc độ gió 4 m/s và 12 m/s là:

Vì trục tuabin gió chỉ có nhiệm vụ truyền moment xoắn từ trục sang máy phát mà không mang thêm các chi tiết khác Với lực tác dụng lên trục thấp (234,7 N) và nhằm mục đích giúp trục quay nhanh hơn nên có thể chọn vật liệu là nhôm thay vì thép CT5 không nhiệt luyện

Hỡnh 5.9: Trục tuabin giú ị 42, dài 1,150 mm 5.1.8 Thiết kế máy phát điện gió

Các thành phần của một máy phát điện tuabin gió trục đứng như hình 5.10

Hình 5.10: Thiết kế kết cấu máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ

Từ thiết kế trên, sơ đồ phân tích lực tác động lên trục rotor của máy phát điện gió như sau:

- Lực của gió tác dụng lên cánh rotor:

Theo công thức (3.28) ta có lực của gió tác dụng lên cánh rotor với tốc độ gió

Lực tác dụng lên ổ đỡ gồm: lực F và moment do lực F gây ra

Hình 5.11: Sơ đồ phân tích lực tác động lên trục rotor và ổ đỡ

Các thông số thiết kế chính như sau:

- Cánh hình dạng nữa đường tròn có: chiều dài cánh H = 0,8 (m); chiều rộng cánh b = 0,105 (m)

- Góc bố trí 2 cánh kề liền nhau: 40 o

- Góc nghiêng của cánh so với đường hướng kính: β = 30 o

- Tốc độ quay của rotor khi tốc độ gió 4 m/s: N = 109,1 (vòng/phút)

Tính toán, thiết kế của hệ pin quang điện tự xoay một trục

Hệ thống Solar tracking là hệ thống điều khiển hệ pin quang điện tự xoay theo hướng ánh sáng, nhằm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin quang điện Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang điện hơn so với tấm pin quang điện đặt cố định Hiện nay, có hai giải pháp điều khiển cho hệ thống solar tracking (một trục và hai trục) Trong phạm vi đề tài này, chọn giải pháp điều khiển hệ solar tracking một trục

Hệ thống Solar traking một trục (Thông số kỹ thuật đính kèm theo phụ lục số

- Mô đun cảm biến quang: giám sát mức độ thay đổi ánh sáng từ hai phía Đông – Tây của mặt trời để chuyển đổi giá trị điện áp thành tín hiệu analog

- Mạch điều khiển (gồm có: 01 mạch Arduino nano, 01 mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43 A, 01 mạch hạ áp DC LM2596): tiếp nhận tín hiệu analog của mô đun quang trở và tín hiệu digital của công tắc hành trình để điều khiển động cơ

- Động cơ 12 VDC có hộp giảm tốc: để tạo chuyển động xoay cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ kết hợp cơ cấu dẫn động tịnh tiến biến chuyển động xoay thành chuyển động tịnh tiến để hệ pin quang điện xoay một góc xung quanh trục

- Bộ công tắc hành trình: để giới hạn góc xoay của hệ pin quang điện xung quanh một trục

- Hệ pin quang điện: chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng

- Hê thống cơ khí (khung gá hệ pin quang điện và cơ cấu dẫn động tịnh tiến): dùng để gá lắp các tấm pin quang điện và tạo chuyển động xoay xung quanh một trục

Sơ đồ khối biểu diễn quan hệ giữa các thành phần được trình bày ở hình 5.13

Hình 5.13: Sơ đồ khối của hệ pin quang điện tự xoay một trục [18]

5.2.3 Tính toán lựa chọn hệ pin quang điện

Theo mục 4.1.1 và 4.1.3 nhu cầu sử dụng điện năng là 955 Wh/ngày (Trong đó: công suất định mức hệ pin quang điện cần cung cấp là 764 Wh/ngày, còn lại năng lượng của hệ thống máy phát điện tuabin gió bổ sung là 191 Wh/ngày) Áp dụng các công thức 3.37 đến 3.40 và 3.48, 3.52 có được bảng 5.2 Từ đó, chọn pin quang điện (solar panel) SN 100 Wp được sản xuất theo công nghệ của Đức với các thông số kỹ thuật như bảng 5.3

Bảng 5.2: Kết quả tính toán hệ pin quang điện độc lập

Thông số E t PV panel P PV N PV β Đơn vị Wh Wh Wp Tấm Độ

Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật pin quang điện SN 100Wp Thông số P max V oc I sc V mpp I mpp

Kích thước (LxWxH) Đơn vị Wp V A V A % % mm

Hình 5.14.a: Tấm pin quang điện SN

Nhãn thông số kỹ thuật

Nhận xét: Theo kết quả tính toán ở bảng 5.2, 5.3 cần có 02 tấm pin quang điện SN 100Wp để đảm bảo cung cấp năng lượng điện hàng ngày 764 Wh/ngày cho hệ thống hybrid.

5.2.4 Thiết kế kết cấu hệ thống cơ khí

Trên cơ sở kích thước và số lượng của tấm pin quang điện tại bảng 5.2 và 5.3

Hệ thống cơ khí dùng để gá đặt và cơ cấu dẫn động tịnh tiến hệ pin quang điện xoay quanh một trục để hoạt động ổn định ngoài trời thì kết cấu cần phải vững chắc nên chọn vật liệu chế tạo là sắt mạ kẽm và nhôm

5.2.4.1 Thiết kế hệ thống khung gá hệ pin quang điện

Hình 5.15: Thiết kế kết cấu hệ thống khung gá pin quang điện xoay quanh một trục 5.2.4.2 Cơ cấu dẫn động tịnh tiến

Cơ cấu dẫn động tịnh tiến có nhiệm vụ đẩy lên và kéo xuống có hành trình tối đa là 210 mm làm cho hệ pin quang điện xoay quanh một trục

Hình 5.16: Thiết kế cơ cấu dẫn động tịnh tiến chiều dài hành trình 210 mm

Hình 5.17: Cơ cấu dẫn động tịnh tiến lắp ráp hoàn chỉnh

5.2.4.3 Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống cơ khí pin quang điện xoay quanh một trục

Hình 5.18: Mô hình hoàn chỉnh hệ thống cơ khí pin quang điện xoay quanh một trục

5.2.5 Thiết kế bộ cảm biến ánh sáng

Bộ cảm biến ánh sáng có nhiệm vụ phát hiện sự thay đổi hướng tia tới của ánh sáng mặt trời, gửi dữ liệu cho bộ xử lý điều khiển động cơ xoay hệ pin quang điện theo hướng có nhiều ánh sáng Trong phạm vi đề tài này cảm biến ánh sáng được lựa chọn sử dụng là mô đun quang trở LDR để thiết kế bộ cảm biến cho hệ solar tracking vì loại này dễ sử dụng có giá thành thấp

Hình 5.19a: Quang trở LDR Hình 5.19b: Mô đun quang trở

Trong thiết kế này, hai mô đun quang trở đặt ở vị trí đối diện cách nhau bởi một vách ngăn Khi ánh sáng chiếu thẳng góc, hai tín hiệu nằm trong ngưỡng giới hạn của hai cảm biến thì động cơ DC có hộp giảm tốc không xoay Độ sáng thay đổi thì hai cảm biến quang phát ra hai tín hiệu khác nhau đến khi vượt ngưỡng giới hạn thì động cơ DC được điều khiển xoay theo hướng làm cho hệ pin quang điện thẳng góc hướng ánh sáng

Hình 5.20: Cơ chế làm việc của LDR hướng Tây và LDR hướng Đông

Hình 5.21: Hộp đựng bộ cảm bỉến LDR

Hình 5.22: Vị trí lắp đặt bộ cảm biến LDR 5.2.6 Hệ thống điều khiển trung tâm

Mạch điều khiển trung tâm tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến và bộ công tắc hành trình để xuất ra tín hiệu điều khiển động cơ DC 12/24VDC có hộp giảm tốc Mạch điều khiển trung tâm gồm có: 01 Arduino Nano, 01 mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43 A, 01 mạch hạ áp DC LM2596, 02 công tắc hành trình, 02 mô đun cảm biến quang trở

Hình 5.23: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm

Hình 5.24: Hệ thống điều khiển trung tâm hoàn chỉnh

5.2.7 Giải thuật và chương trình điều khiển

Lưu đồ giải thuật của chương trình điều khiển được trình bày ở hình 5.25

Hình 5.25: Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ DC

Chương trình điều khiển đươc viết bởi phần mềm chuyên dụng Arduino đơn giản, dễ sử dụng, tương tác với người sử dụng nên có sự hỗ trợ cao của thư viện các ví dụ mẫu có sẵn (đính kèm code của chương trình điều khiển hệ pin quang điện tự xoay một trục theo hướng mặt trời tại phụ lục số 2)

Hệ thống điều phối năng lương và ắc quy lưu trữ điện năng

5.3.1 Bộ điều khiển sạc hybrid

Theo kết quả tính toán tại mục 5.1 và 5.2.3 công suất phát định mức của hệ pin Mặt trờ 200 W và máy phát điện gió là 60 W Vậy tổng công suất của hệ thống hybrid 250 W Áp dụng công thức 3.51, ta được:

Trong phạm vi đề tải này, tác giả chọn bộ điều khiển sạc hybrid, có công suất định mức phát của hệ pin quang điện 200 Wp và máy phát điện gió 600 W Trong đó hỗ trợ điều khiển sạc cho máy phát điện gió là 15VAC/25VAC, 3 pha

Hình 5.26: Bộ điều khiển sạc - Controller Wind & Soalr Hybrid

5.3.2 Bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter) Để có thể đáp ứng được tất cả tải là 955 W khi cùng sử dụng một thời điểm, áp dụng công thức 3.50 tính được công suất cần thiết bộ Inverter là 1,194 W:

Trong phạm vi đề tài, tác giả lựa chọn bộ Inverter công suất 500 W có chế độ bảo vệ chống quá tải cho ắc quy

5.3.3 Đồng hồ hiển thị công suất DC

Trong bộ điều khiển sạc hybrid như đã nêu trên, vẫn có chế độ hiển thị điện áp – dòng tải của hệ pin quang điện, máy phát điện gió và dung lượng của bộ ắc quy Để thuận tiện giám sát công suất phát của hệ pin quang điện và công suất sạc ắc quy Chọn đồng hồ hiển thị công suất tải (Watt meter) DC 0 – 60 V, 0 – 100A có chế độ chống dòng trả ngược, như sau:

Hình 2.28: Đồng hồ hiển thị công suất DC 0 – 60V, 0 – 100A

5.3.4 Dung lượng ắc quy hệ thống Hybrid

Theo mục 4.1.1 tổng tải tiêu thụ điện năng là 955 Wh/ngày, áp dụng công thức 3.46 và 3.48 tính được số lượng bình ắc quy trong ba ngày, đồng thời chọn phương án nối song song các bình ắc quy để để giữ nguyên điện áp 12 V, làm tăng dung lượng bộ ắc quy do tấm pin quang điện, bộ điện khiển sạc (Controller), bộ nghịch lưu (Inverter) hiện có thông dụng trên thị trường sử dụng 12 V Chọn bình ắc quy có thông số 12 V – 80 Ah Nên dung lượng của hệ thống bình ắc quy, cần có:

Vậy số lượng bình ắc quy 12 V – 80 Ah cần cho hệ thống là 6 ắc quy:

Trong phạm vi đề tài chỉ sử dụng 02 bình ắc quy GS 12 V – 80 Ah mắc song song để khảo nghiệm

Hình 5.29: Hệ thống bình ắc quy 5.3.5 Tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng

Tủ phân phối năng lượng có nhiệm vụ nhận nguồn điện từ hệ pin quang điện và máy phát điện tuabin gió điều khiển sạc cho hệ thống bình ắc quy, có các chế độ bảo vệ cần thiết khi nguồn tiếp nhận vượt ngưỡng cho phép thì không cho nạp, chống dòng trả ngược từ ắc quy Các thiết bị của tủ điều phối gồm: Bộ điều khiển sạc (Controller), 02 đồng hồ hiển thị công suất, bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter),

CB 10 A và kết nối với bộ ắc quy 12 V

Hình 5.30: Các thiết bị của tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng

Hình 5.31: Tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng lắp đặt hoàn chỉnh

5.3.6 Lắp đặt mô hình máy phát điện năng lượng gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ

Vị trí lắp đặt máy phát tuabin gió và hệ pin quang điện ở mái sân thượng căn tin Trường Cao đẳng nghề tỉnh Binh Thuận có độ cao là 10 m

Hình 5.32: Sơ đồ lắp ráp mô hình máy phát điện năng lượng gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ.

KIỂM NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Kiểm nghiệm hiệu suất tấm pin quang điện tự xoay một trục so với tấm pin

Dùng chức năng la bàn và định vị toàn cầu (GPS) của điện thoại di động (Smart phone 3G) đặt lên mặt phẳng tấm pin quang điện có phương song song với mặt phẳng ngang để xác định hướng Đông – Tây – Nam – Bắc Lắp đặt một tấm pin quang điện có gắn hệ thống tự xoay một trục theo hướng Đông – Tây và còn lại một tấm pin quang điện đặt trên khung gá cùng độ cao với hệ thống xoay một trục, nghiêng một góc  = 21 0 theo bảng 5.2 có phương nằm trên trục hướng Nam – Bắc như hình 6.1 Hai tấm pin quang điện có cùng thông số kỹ thuật như bảng 5.3

Hình 6.1: Bố trí đặt hai tấm pin quang điện 6.1.2 Các thông số đo tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục và tấm pin quang điện đặt cố định  = 21 0

Quá trình đo được thực hiện vào lúc 8 giờ 00 phút đến 17 giờ 00 phút, từ ngày 01/4/2016 đến 07/4/2016 tại Trường Cao đẳng nghề tỉnh Bình Thuận (khoảng thời gian giữa hai lần đo là 30 phút/lần đo)

6.1.2.1 Bố trí đo điện thế, dòng điện, công suất của tấm pin quang điện

Theo hình 6.2 ngõ ra tấm pin quang điện nối nối tiếp với đồng hồ đo công suất

DC và tải không đổi (Đèn LED 12 VDC, 5 W)

Hình 6.2: Sơ đồ đo công suất tấm pin quang điện

Hình 6.3: Đo công suất hai tấm pin quang điện 6.1.2.2 Bố trí đo bức xạ mặt trời và góc xoay của tấm pin quang điện đặt trên hệ thống tự xoay một trục

Thiết bị đo bức xạ được gắn vuông góc với tấm pin quang điện và một thước đo góc 180 0 được gắn vào tâm trục xoay như hình 6.4 Tấm pin quang điện có vị trí nằm ngang, vuông góc với thân khung gá có giới hạn góc xoay tối đa về hướng Đông từ 0 0 – +50 0 , hướng Tây 0 0 – -50 0 như hình 6.4, 6.5 và vị trí góc xoay tương ứng giá trị thang đo trên thước góc 180 0 như bảng 6.1 Để xét sự biến đổi của góc xoay trong một giờ, chọn mốc thời gian từ 08 giờ

00 phút đến 15 giờ 00 phút, vì địa điểm đặt tấm pin quang điện ở độ cao 10 m nên ảnh hưởng thời gian của mặt trời mọc và lặn Từ bảng 6.2 tính được từ 08 giờ 00 phút đến 09 giờ 00 phút thì tấm pin quang điện xoay được một góc 13 0 trong một giờ như bảng 6.3

Hình 6.4: Dụng cụ đo gắn trên hệ thống tự xoay một trục

Hình 6.5: Vị trí góc xoay tối đa của tấm pin quang điện Bảng 6.1: Vị trí góc xoay của tấm pin quang điện

Vị trí xoay tấm pin quang điện Hướng Tây Nằm ngang Hướng Đông Góc xoay ( 0 ) -50 -40 -30 -20 -10 0 +10 +20 +30 +40 +50

6.1.2.3 Các giá trị đo điện áp, cường độ dòng điện, công suất, góc xoay, bức xạ mặt trời

Các giá trị đo được lấy giá trị trung bình trong bảy ngày được thể hiện tại bảng 6.2, đính kèm giá trị đo từng ngày ở phụ lục số 3

Bảng 6.2: Các giá trị đo tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục và tấm pin quang điện đặt cố định  = 21 0

Góc xoay U TR I TR P TR U 21 I 21 P 21

8h00 667 43 20,49 0,38 7,7862 20,39 0,32 6,5248 19,55 8h30 853 37 20,74 0,38 7,8812 20,73 0,3 6,2190 26,73 9h00 839 30 20,41 0,37 7,5517 20,48 0,29 5,9392 27,15 9h30 851 24 20,19 0,37 7,4703 20,26 0,29 5,8754 27,15 10h00 973 19 20,35 0,38 7,7330 20,41 0,3 6,1230 26,29 10h30 1042 16 20,35 0,37 7,5295 20,39 0,29 5,9131 27,34 11h00 971 10 20,32 0,37 7,5184 20,3 0,3 6,0900 23,45 11h30 1018 3 20,32 0,38 7,7216 20,28 0,29 5,8812 31,29 12h00 956 -4 20,38 0,37 7,5406 20,33 0,29 5,8957 27,90 12h30 959 -15 20,24 0,38 7,6912 20,2 0,29 5,8580 31,29 13h00 1050 -22 20,42 0,38 7,7596 20,37 0,31 6,3147 22,88 13h30 1023 -32 20,35 0,38 7,7330 20,3 0,29 5,8870 31,36 14h00 1002 -37 20,46 0,37 7,5702 20,45 0,29 5,9305 27,65 14h30 1020 -44 20,48 0,38 7,7824 20,53 0,3 6,1590 26,85 15h00 914 -48 20,47 0,38 7,7786 20,44 0,3 6,1320 26,85 15h30 856 -49 20,51 0,37 7,5887 20,38 0,29 5,9102 28,40 16h00 774 -47 20,56 0,38 7,8128 20,18 0,29 5,8522 33,50 16h30 657 -49 20,39 0,38 7,7482 19,61 0,29 5,6869 36,25 17h00 460 -49 20,29 0,37 7,5073 17,71 0,24 4,2504 76,63 Hiệu suất trung bình giữa tấm pin quang điện tự xoay một trục so với tấm pin quang điện đặt một góc cố định có  = 21 0 30,41

Bảng 6.3: Mỗi giờ tấm pin quang điện xoay được một góc

Giá trị trung bình 12,98 0 Độ lệch chuẩn 3,17 0

6.1.2.4 Công suất giữa tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục so với tấm pin quang điện đặt cố định  = 21 0 và bức xạ nhận được của pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục

Hình 6.6: Biểu đồ công suất giữa tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục so với tấm pin quang điện đặt cố định  = 21 0 và bức xạ nhận được của pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục

Nhận xét: Theo hình 6.6 ta thấy công suất sản sinh ra điện năng của tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục luôn luôn cao hơn công suất tấm pin quang điện đặt cố định  = 21 0 và hiệu suất trung bình cao hơn 30,41% Trường hợp xét đến khấu hao công suất của hệ thống tự xoay một trục có gắn hai tấm pin quang điện 100 W xoay liên tục trong một giờ (20 Wh, trong đó: động cơ DC 15

Wh và mạch điều khiền trung tâm 5 Wh) thì công suất lợi hơn so với hai tấm pin quang điện 100 W đặt cố định có góc nghiêng β = 21 0 là 20% Nhưng trong thực tế, hệ thống pin quang điện tự xoay một trục chạy dao động từ 4 – 5 giờ/ngày Đồng thời, bức xạ nhận được của tấm pin quang điện tự xoay quanh một trục có hai thời điểm công suất cao nhất tương ứng tại thời điểm đó là: vào lúc 8h30, 7,8812 W, 853 W/m 2 và 16h00, 7,8128 W, 774 W/m 2 Qua đó, ta thấy tại hai thời điểm 8h30 và 16h00 có nhiệt độ ngoài trời tương đối ổn định gần với nhiệt độ làm việc của tấm pin quang điện 25 0 C Vì vậy, để tấm pin quang điện có công suất sản sinh ra điện năng ổn định cần có giải pháp giải nhiệt tấm pin quang điện

6.1.2.5 Sự biến động góc xoay tấm pin quang điện trên hệ thống tự xoay một trục trong mỗi giờ

Hình 6.7 : Biểu đồ sự biến động góc xoay tấm pin quang điện trên hệ thống tự xoay một trục trong mỗi giờ

Nhận xét: Theo hình 6.7 ta thấy mỗi giờ tấm pin quang điện xoay được một góc có giá trị trung bình 12,98 0 xung quanh trục mà tốc độ quay của trái đất 15 0 mỗi giờ, vậy đường trục của bộ thu pin quang điện bám theo mặt trời một trục tương đối luôn hướng thẳng góc với mặt trời

Theo các kết quả kiểm nghiệm đạt được như trên thì bộ pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục theo hướng Đông – Tây đáp ứng được khả năng cung cấp điện trên 764 Wh/ngày.

Kiểm nghiệm máy phát điện tuabin gió

6.2.1 Bố trí đo vận tốc vòng trục tuabin, vận tốc vòng trục Dynamo, công suất phát điện Dynamo tương ứng với các chỉ số vận tốc gió

Dùng một quạt gió hướng trục có lưu lượng 4,920 m 3 /h có điều chỉnh tốc độ bằng mô đun điều chỉnh điện áp AC 220 V, 4,000 W tạo gió cưỡng bức để thổi tuabin gió quay, đặt cảm biến đo gió chính giữa của chiều đài cánh quạt tuabin và các thiết bị đo điện như Ampe kìm, VOM hiển thị số, chế độ hiện thị điện áp – dòng điện sạc của máy phát điện tuabin gió thích hợp trên bộ điều khiển sạc hybrid Vì quạt gió hướng trục quay không đều nên khi tạo ra gió có tốc độ cũng không ổn định nên cài đặt đồng hồ đo tốc độ gió lấy mẫu có giá trị trung bình trung 5 phút và phạm vi tốc độ gió khảo sát từ khi khởi động được tuabin đến khi Dynamo có điện thế > 15 VAC vượt ngưỡng cho phép sạc của bộ điều khiển sạc Các giá trị đo được trình bày ở phụ lục số 4 (Dụng cụ hỗ trợ kiểm nghiệm đính kèm phụ lục số 5)

Hình 6.8: Bố trí thí nghiệm máy phát điện gió

6.2.2 Mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất phát Dynamo

Hình 6.9: Biểu đồ quan hệ tốc độ gió và công suất phát Dynamo

Nhận xét: Theo hình 6.9 công suất phát Dynamo từ 0 – 20 W phải có tốc độ gió 3,5 – 6 m/s; 20 – 60 W tốc độ gió 6 – 9 m/s

6.2.3 Mối quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và công suất phát

Hình 6.10: Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và công suất phát Nhận xét: Theo hình 6.10 để Dynamo phát được công suất từ 0 – 20 W tương ứng với vận tốc vòng 100 – 270 vòng/phút Từ 20 – 60 W thì phải có vận tốc vòng

270 – 380 vòng/phút, nhưng theo nhà sản xuất để đạt công suất như trên thì vận tốc y = 0.9548x 2 - 1.0208x - 8.8163

Vận tốc vòng Dynamo (vòng/phút)

Công suuất đánh giá của nhà sản xuất Poly (Công suất khảo nghiệm (W)) vòng của Dynamo nằm trong khoảng 280 – 440 vòng/phút như hình 5.5 Vậy, vận tốc vòng thực tế của Dynamo thấp hơn khoảng từ 3,7 – 15,7% so với đề nghị của nhà sản xuất

6.2.4 Mối quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và tốc độ gió nhận được của tuabin

Hình 6.11: Biểu đồ quan hệ vận tốc vòng Dynamo và tốc độ gió nhận được của tuabin

Nhận xét: Theo hình 6.11 để Dynamo có vận tốc vòng từ 180 – 270 vòng/phút thì tốc độ gió phải đạt từ 4 – 6 m/s và 270 – 380 vòng/phút thì tốc độ gió phải đạt từ 6 – 9 m/s y = 3E-05x 2 + 0.0117x + 1.0346

Vận tốc vòng Dynamo (vòng/phút)

6.2.5 Mối quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và công suất phát - tốc độ gió

Hình 6.12: Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và công suất phát - tốc độ gió

Nhận xét: Theo hình 6.12 để máy phát điện tuabin gió đạt công suất: từ 0 – 20

W thì vận tốc vòng Dynamo 180 – 270 vòng/phút, tốc độ gió đạt 4 – 6 m/s; từ 20 –

60 W, vận tốc vòng Dynamo 270 – 380 vòng/phút, tốc độ gió đạt 6 – 9 m/s; Nên để đạt công suất 10 W vận tốc vòng Dynamo 225 vòng/phút, tốc độ gió 5 m/s

Máy phát điện tuabin gió trục đứng cánh tròn khởi động ở tốc độ gió trung bình 3,5 m/s và lớn hơn 10 m/s thì Dynamo tạo ra điện thế cao hơn 15 VAC vượt nguõng cho phép bộ điều khiển sạc Vì vậy, sau khi khảo nghiệm cần tính toán lựa chọn tăng tỉ số truyền bộ truyền đai cho phù hợp, trong trường hợp này tỉ số truyền mp 6 tb n  n thì máy phát điện gió đạt công suất như yêu cầu tính toán Cụ thể ở biểu đồ hình 6.12 ta thấy với vận tốc vỏng của Dynamo là 150 – 200 vòng/phút nếu tăng tỉ số truyền n mp  6 n tb tương ứng với vận tốc vòng 300 – 400 vòng/phút thì công suất phát của Dynamo từ 30 – 80 W Do sai số vận tốc vòng của Dynamo và công suất phát theo khuyến nghị của nhà sản xuất và thực nghiệm y = 0.0011x 2 - 0.2669x + 11.908

Vận tốc vòng Dynamo (vòng/phút)Công suất Dynamo Tốc độ gió