XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐÀ NẴNG, 2022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU.....................................................................................................................................1 PHẦN MỞ ĐẤU ................................................................................................................................2 1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................................2 2. Mục tiêu nghiên cứu......................................................................................................................2 3. Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu............................................................................3 3.1 Đối tượng nghiên cứu..................................................................................................................3 3.2 Phạm vi nghiên cứu.....................................................................................................................3 3.3 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................................3 4. Kế hoạch thực hiện........................................................................................................................3 5. Nội dung thực hiện........................................................................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.........................................................................................5 1.1 Giới thiệu chung...........................................................................................................................5 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tua bin gió...............................................................................5 1.1.2 Tình hình nghiên cứu năng lượng gió trên thế giới và ở Việt Nam.....................................7 1.1.2.1 Sự hình thành của gió............................................................................................................7 1.1.2.2 Năng lượng gió trên thế giới .................................................................................................8 1.1.2.3 Tình hình phát triển điện gió của Việt Nam........................................................................9 1.1.3 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam.................................................................................10 1.1.3.1 Vận tốc gió, cấp gió..............................................................................................................10 1.1.3.2 Chế độ gió ở Việt Nam.........................................................................................................11 1.2 Một số hệ thống tua bin gió hiện nay .......................................................................................14 1.2.1 Tua bin gió trục ngang (HAWT)...........................................................................................14 1.2.2 Tua bin gió trục đứng (VAWTS) ..........................................................................................15 1.3 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió............................................15 1.3.1 Ưu điểm...................................................................................................................................15 1.3.2 Nhược điểm.............................................................................................................................16 1.4 Cấu tạo chung và vấn đề liên quan đến hệ thống của tua bin gió..........................................17 1.4.1 Đặt vấn đề................................................................................................................................17 1.4.2 Cấu tạo tua bin gió .................................................................................................................17 1.4.3 Tua bin – cánh quạt................................................................................................................20 1.4.4 Trạm điều khiển .....................................................................................................................21 1.4.5 Rotor tuabin...........................................................................................................................21 1.4.6 Máy phát .................................................................................................................................22 1.4.7 Hệ thống định hướng..............................................................................................................22 1.4.8 Công suất các loại tuabin gió................................................................................................22 1.4.9 Nguyên lý làm việc của một tuabin gió................................................................................23 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ .....................................................................24 2.1 Thiết kế hệ thống.......................................................................................................................24 2.1.1 Cấu trúc chung của hệ thống ................................................................................................24 2.1.2 Nguyên lý hoạt động...............................................................................................................24 2.2 Thiết kế kỹ thuật .......................................................................................................................25 2.2.1 Đặt vấn đề ...............................................................................................................................25 2.2.2 Tính toán chọn máy phát điện ..............................................................................................25 2.2.3 Tính bán kính cánh quạt tua bin ..........................................................................................26 2.2.4 Chọn bộ chỉnh lưu..................................................................................................................27 2.2.5 Chọn ắcquy dự trữ................................................................................................................28 2.2.6 Thiết kế bộ tự động sạc ngắt ắc quy: ...................................................................................30 2.2.6.2 Module điều khiển bộ sạc ngắt ắc quy ESP8266 ..............................................................36 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ........................................................................41 3.1. Mô tả môi trường thử nghiệm.................................................................................................41 3.2. Mô tả thử nghiệm thực tế ........................................................................................................41 3.3 Các kịch bản thử nghiệm..........................................................................................................41 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN .............................................................................................................43 4.1 Kết luận......................................................................................................................................43 4.2 Kiến nghị....................................................................................................................................43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................................44 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió không ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian. Chính vì thế việc nhanh chóng điều tra, đánh giá để xác định các số liệu về tốc độ gió ở một khu vực cụ thể là việc làm rất cần thiết và quan trọng đối với công tác nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió. Sau thời gian hơn 4 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Duy Tân tôi đã được giao đề tài đồ án tốt nghiệp với nội dung: “Xây dựng mô hình hệ thống điện gió công suất 120W”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè, gia đình cũng như sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành bản đồ án với đầy đủ nội dung của đề tài. Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như đây là một lĩnh vực còn tương đối mới mẻ nên bản đồ án của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học Duy Tân, và đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS. Hà Đắc Bình đã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian qua. Đà Nẵng, ngày 10 tháng 12 năm 2022 1 PHẦN MỞ ĐẤU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng song song với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phòng, sản xuất, công nghiệp, du lịch, ... Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lên ngày một rõ rệt. Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá mạnh mẽ và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồn chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV. Hơn thế nữa từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được nhiều nước trên thế giới đặc biệt được quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sức gió là để tạo ra hệ thống phát điện. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế xã hội ở Việt Nam hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu Việc nghiên cứu thực hiện Mô hình điện nhằm mục đích: Thiết kế, chế tạo tuabine gió trục ngang nhằm đáp ứng nhu cầu dung điện sạch cho hộ gia đình. Xây dựng và lắp đặt mô hình năng lượng điện gió gắn liền với thực tế. Biết cách tạo ra và sử dụng hợp lí năng lượng tái tạo. Nâng cao sự hiểu biết và tay nghề sinh viên. 2 Mô hình mang tính thẩm mỹ. 3. Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Tua bin sử dụng năng lượng gió 3.2 Phạm vi nghiên cứu Mô hình này được chế tạo nhằm mục đích: Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục sử dụng để phát điện. Nâng cao tay ngề cho sinh viên Biết rõ hơn về nguồn năng lượng tái tạo. Áp dụng vào đời sống. 3.3 Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: Nghiên cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách và nguồn tài liệu trên internet. Nắm được ứng dụng của tuabine gió để thiết kế chế tạo tua bin gió công suất nhỏ. Nghiên cứu quá trình làm việc của tuabine gió. Trên cơ sở đó xây dựng các yêu cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hoàn chỉnh. Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng mới và tái tạo, hiện trạng về ứng dụng các nguồn NLM TT trên thế giới và ở Việt Nam Phân tích tiềm năng về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam để đưa ra biện pháp sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất Xây dựng nghiên cứu cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện bằng sức gió Tính toán, thiết kế hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ ở vùng núi Việt Nam, đặc biệt là vùng chưa có điện lưới quốc gia. 4. Kế hoạch thực hiện Bước 1: Tìm hiểu lý thuyết về năng lượng gió Bước 2: Khảo sát các mô hình có liên quan. Bước 3: Thu thập các dữ liệu. Bước 4: Tìm hiểu nguyên lí làm việc. Bước 5: Lên ý tưởng thiết kế. Bước 6: Thiết kế mô hình. 3 Bước 7: Thi công, chế tạo mô hình. Bước 8: Vận hành, thử nghiệm mô hình. Bước 9: Chỉnh sửa và Nghiệm thu mô hình. 5. Nội dung thực hiện Đồ án được chia làm 4 chương với nội dung như sau: 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tua bin gió Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió. Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện. Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa. Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió đựợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng. Hình 1.1: Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu u (Tây u) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đựợc lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của 5 cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 900 tại Ba Tư. Hình 1.2: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước. Hình 1.3: Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800 Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm: 6 Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m; Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabine với trục máyphát Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòngphút; Công suất phát định mức là 12kW.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ VĂN CƠNG HẬU XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐÀ NẴNG, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ CHUYÊN NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG GVHD : PGS.TS HÀ ĐẮC BÌNH SVTH : VĂN CƠNG HẬU LỚP : K24-EDT1 MSSV : 24211710288 ĐÀ NẴNG, 2022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN MỞ ĐẤU Tính cấp thiết đề tài 2 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu .3 3.3 Phương pháp nghiên cứu Kế hoạch thực Nội dung thực CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .5 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển tua bin gió .5 1.1.2 Tình hình nghiên cứu lượng gió giới Việt Nam .7 1.1.2.1 Sự hình thành gió 1.1.2.2 Năng lượng gió giới 1.1.2.3 Tình hình phát triển điện gió Việt Nam 1.1.3 Tiềm năng lượng gió Việt Nam 10 1.1.3.1 Vận tốc gió, cấp gió 10 1.1.3.2 Chế độ gió Việt Nam .11 1.2 Một số hệ thống tua bin gió .14 1.2.1 Tua bin gió trục ngang (HAWT) 14 1.2.2 Tua bin gió trục đứng (VAWTS) 15 1.3 Những thuận lợi khó khăn việc sử dụng lượng gió 15 1.3.1 Ưu điểm 15 1.3.2 Nhược điểm .16 1.4 Cấu tạo chung vấn đề liên quan đến hệ thống tua bin gió 17 1.4.1 Đặt vấn đề 17 1.4.2 Cấu tạo tua bin gió 17 1.4.3 Tua bin – cánh quạt 20 1.4.4 Trạm điều khiển .21 1.4.5 Rotor tua-bin 21 1.4.6 Máy phát 22 1.4.7 Hệ thống định hướng 22 1.4.8 Công suất loại tua-bin gió 22 1.4.9 Nguyên lý làm việc tua-bin gió 23 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ .24 2.1 Thiết kế hệ thống .24 2.1.1 Cấu trúc chung hệ thống 24 2.1.2 Nguyên lý hoạt động .24 2.2 Thiết kế kỹ thuật .25 2.2.1 Đặt vấn đề .25 2.2.2 Tính tốn chọn máy phát điện 25 2.2.3 Tính bán kính cánh quạt tua bin 26 2.2.4 Chọn chỉnh lưu 27 2.2.5 Chọn ắc-quy dự trữ 28 2.2.6 Thiết kế tự động sạc- ngắt ắc quy: 30 2.2.6.2 Module điều khiển sạc ngắt ắc quy ESP8266 36 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 Mô tả môi trường thử nghiệm 41 3.2 Mô tả thử nghiệm thực tế 41 3.3 Các kịch thử nghiệm 41 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN .43 4.1 Kết luận 43 4.2 Kiến nghị 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng tăng cao Năng lượng tái tạo gọi lượng phi truyền thống nói chung, lượng gió nói riêng lĩnh vực quan trọng dần quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi Một vấn đề cần phải giải quyết, lượng gió khơng ổn định mang tính chu kỳ Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt không gian thời gian Chính việc nhanh chóng điều tra, đánh giá để xác định số liệu tốc độ gió khu vực cụ thể việc làm cần thiết quan trọng công tác nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng lượng gió Sau thời gian năm học tập nghiên cứu Trường Đại Học Duy Tân giao đề tài đồ án tốt nghiệp với nội dung: “Xây dựng mơ hình hệ thống điện gió công suất 120W” Với giúp đỡ ủng hộ thầy giáo, bạn bè, gia đình nỗ lực thân đến hoàn thành đồ án với đầy đủ nội dung đề tài Tuy nhiên, hạn chế kiến thức, tài liệu tham khảo trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài lĩnh vực tương đối mẻ nên đồ án tránh khỏi thiếu sót định Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp quan tâm đến vấn đề để luận văn hồn chỉnh có ý nghĩa Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo, cán giảng dạy thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học Duy Tân, đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Hà Đắc Bình trang bị kiến thức, dẫn dắt, bảo động viên suốt thời gian qua Đà Nẵng, ngày 10 tháng 12 năm 2022 PHẦN MỞ ĐẤU Tính cấp thiết đề tài Trong yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển kinh tế xã hội Việt Nam hệ thống điện lưới Quốc gia Nó có ý nghĩa quan trọng song song với phát triển nhanh chóng lĩnh vực an ninh, quốc phịng, sản xuất, công nghiệp, du lịch, Nhu cầu sản xuất tiêu thụ điện tăng lên ngày rõ rệt Trong năm gần hoạt động nghiên cứu, ứng dụng lượng tái tạo để thiết kế hệ thống phát điện nước ta phát triển mạnh mẽ rộng khắp Đặc biệt từ lâu người biết sử dụng lượng gió để tạo thay cho sức lao động nặng nhọc, điển hình thuyền buồn chạy sức gió, cối xay gió xuất từ kỉ XIV Hơn từ vài chục năm gần với nguy cạn kiệt dần nguồn nhiên liệu khai thác từ lòng đất vấn đề ô nhiễm môi trường việc đốt hàng ngày khối lượng lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch Từ điều kiện tình hình thực tế việc nghiên cứu, sử dụng dạng lượng tái tạo thiên nhiên có lượng gió lại nhiều nước giới đặc biệt quan tâm Trên sở áp dụng thành tựu nhiều ngành khoa học tiên tiến việc nghiên cứu sử dụng lượng gió đạt tiến lớn chất lượng thiết bị quy mô ứng dụng Một ứng dụng quan trọng sức gió để tạo hệ thống phát điện Vì đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện sức gió cơng suất nhỏ” mang tính cấp thiết có ý nghĩa quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu Việc nghiên cứu thực Mơ hình điện nhằm mục đích: - Thiết kế, chế tạo tuabine gió trục ngang nhằm đáp ứng nhu cầu dung điện cho hộ gia đình - Xây dựng lắp đặt mơ hình lượng điện gió gắn liền với thực tế - Biết cách tạo sử dụng hợp lí lượng tái tạo - Nâng cao hiểu biết tay nghề sinh viên - Mơ hình mang tính thẩm mỹ Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Tua bin sử dụng lượng gió 3.2 Phạm vi nghiên cứu Mơ hình chế tạo nhằm mục đích: - Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục sử dụng để phát điện - Nâng cao tay ngề cho sinh viên - Biết rõ nguồn lượng tái tạo - Áp dụng vào đời sống 3.3 Phương pháp nghiên cứu - Để giải vấn đề đề tài đặt ra, sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây: - Nghiên cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách nguồn tài liệu internet Nắm ứng dụng tuabine gió để thiết kế chế tạo tua bin gió cơng suất nhỏ - Nghiên cứu q trình làm việc tuabine gió Trên sở xây dựng u cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hồn chỉnh Tổng hợp đánh giá nguồn lượng tái tạo, trạng ứng dụng nguồn NLM & TT giới Việt Nam - Phân tích tiềm nguồn lượng gió Việt Nam để đưa biện pháp sử dụng cách hợp lý hiệu - Xây dựng nghiên cứu cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện sức gió - Tính tốn, thiết kế hệ thống phát điện sử dụng lượng gió cơng suất nhỏ vùng núi Việt Nam, đặc biệt vùng chưa có điện lưới quốc gia Kế hoạch thực Bước 1: Tìm hiểu lý thuyết lượng gió Bước 2: Khảo sát mơ hình có liên quan Bước 3: Thu thập liệu Bước 4: Tìm hiểu ngun lí làm việc Bước 5: Lên ý tưởng thiết kế Bước 6: Thiết kế mơ hình Bước 7: Thi cơng, chế tạo mơ hình Bước 8: Vận hành, thử nghiệm mơ hình Bước 9: Chỉnh sửa Nghiệm thu mơ hình Nội dung thực Đồ án chia làm chương với nội dung sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển tua bin gió Vào cuối năm 1970, khủng hoảng dầu mỏ buộc người phải tìm nguồn lượng thay thế, số lượng gió Những năm sau, nhiều chương trình nghiên cứu phát triển lượng gió thực với nguồn tài trợ từ Chính phủ, bên cạnh dự án nghiên cứu cá nhân, tổ chức tự đứng thực Lịch sử phát triển giới loài người chứng kiến ứng dụng lượng gió vào sống từ sớm Gió giúp quay cối xay bột, gió giúp thiết bị bơm nước hoạt động, gió thổi vào cánh buồm giúp đưa thuyền xa Theo tài liệu cổ cịn giữ lại thiết kế cối xay hoạt động nhờ vào sức gió vào khoảng thời gian năm 500 - 900 sau CN Ba Tư (Irac ngày nay) Đặc điểm bật thiết bị cánh đón gió bố trí xung quanh trục đứng, minh hoạ mơ hình cánh gió đựợc lắp Trung Mỹ vào cuối kỷ 19, mơ hình có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng Hình 1.1: Mơ hình cánh gió Trung Mỹ, cuối TK 19 Muộn nữa, kể từ sau kỷ 13, cối xay gió xuất châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp mơ hình thiết kế Ba Tư Cải tiến thiết kế tận dụng đựợc lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió làm hiệu suất biến đổi lượng gió cối xay gió thời kỳ cao nhiều so với mơ hình thiết kế từ năm 500 - 900 Ba Tư Hình 1.2: Mơ hình cối xay gió xuất sau TK 13 Trong suốt năm tiếp theo, thiết kế thiết bị chạy sức gió ngày hoàn thiện sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực ứng dụng: chế tạo máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu nông nghiệp, thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu kỷ 19, với xuất máy nước, thiết bị chạy sức gió bị thay Lịch sử người bước sang thời kỳ với công cụ mới: máy chạy nước Hình 1.3: Chiếc máy bơm nước chạy sức gió, phía Tây nước Mỹ năm 1800 Năm 1888, Charles F Brush chế tạo máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, đặt Cleveland, Ohio Nó có đặc điểm: áp dụng cơng thức để tính dung lượng ắc-quy: Dung lượng ắc quy: 𝐴ℎ = 120.2 0,7.12 = 28.57 (Ah) Như ta chọn ắc- quy Pinaco có thơng số sau: - Loại ắc quy: N28 - Kiểu ắc quy: Ắc quy nước - Điện áp: 12V - Dung lượng: 28Ah Hình 2.5: Ắc – quy tích điện cho mơ hình mơ hệ thống *Thời gian sạc đầy bình ắc quy - Dòng sạc cho pin 28 Ah, biết dòng sạc phải 10% đánh giá Ah pin => Vì thế, dịng sạc cho pin 28Ah = 28Ah.(10/100) =2,8 A - Nhưng số tổn thất, ta sử dụng 2,8-4,5 Ampe cho mục đích sạc pin thay 2,8 Ampe - Giả sử sử dụng Ampe cho mục đích sạc => Thời gian sạc cho ắc quy 28Ah=28/3=9,3 - Nhưng trường hợp lý tưởng Thực tế ghi nhận 40% tổn thất xảy trường hợp sạc pin => Khi 28.(40/100) = 11,2 (28 Ah + 40%Tổn thất) Do đó, 28+11,2=39,2 Ah (28Ah + Mất mát) *Hiện thời gian sạc pin = Ah/Dòng sạc = 39,2/3=13,06 Do đó, pin 28Ah 13,06 để sạc đầy trường hợp dòng sạc yêu cầu 3A 2.2.6 Thiết kế tự động sạc- ngắt ắc quy: Sơ đồ mạch mô sạc – ngắt cho ắc quy 30 Hình 2.6: Mơ mạch 2.2.6.1 Mạch điều khiển Phần 1: Giới thiệu chung arduino: Arduino sử dụng rộng rãi giới, ngày chứng tỏ sức mạnh chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo người dùng cộng đồng nguồn mở (open- source) Arduino tảng mẫu mở điện tử (open-source electronic sprototyping platform) tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm Về mặt kỹ thuật coi Arduino điều khiển logic lập trình Đơn giản hơn, Arduino thiết bị tương tác với ngoại cảnh thông qua cảm biền hành vi lập trình sẵn Với thiết bị này, việc lắp ráp điều khiển thiết bị điện tử dễ dàng hết Arduino phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử lập trình vi xử lí người tiếp cận dễ dàng với thiết bị điện tử mà không cần nhiều kiến thức điện tử thời gian Sau mạnh Arduino so với tảng vi điều khiển khác: - Chạy đa tảng: Việc lập trình Arduino thể thực hệ điều hành khác Windows, Mac Os, Linux Desktop, … Android di động - Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu 31 - Nền tảng mở: Arduino phát triển dựa nguồn mở nên phần mềm chạy Arduino chia s dễ dàng tích hợp vào tảng khác - Mở rộng phần cứng: Arduino thiết kế sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng dễ dàng - Đơn giản nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình sử dụng thiết bị - Dễ dàng chia sẽ: Mọi người dễ dàng chia s mã nguồn với mà không lo lắng ngơn ngữ hay hệ điều hành sử dụng Arduino có nhiều module, module phát triển cho ứng dụng Về mặt chức năng, bo mạch Arduino chia thành hai loại, loại bo mạch có chip Atmega loại mở rộng thêm chức cho bo mạch Các bo mạch giống chức năng, nhiên mặt cấu số lượng I/O, dung lượng nhớ, hay kích thước có khác Một số bo có trang bị thêm tính kết nối Ethernet Bluetooth Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm số t nh cho bo mạch Ví dụ tính kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động Phần 2: Bo mạch Arduino Uno R3: Hình 2.7: Arduino Uno Sử dụng chip AVR Atmega328 Atmel Mạch arduino lắp ráp từ linh kiện dễ tìm hướng đến đối tượng người dùng đa dạng Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR Atmega8, Atmega168, Atmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ, độ ẩm hiển thị lên hình LCD… hay ứng dụng khác 32 Arduino UNO cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V Thường cấp nguồn pin vng 9V hợp lí khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, làm hỏng Arduino UNO Bảng chức chân Arduino Uno: Vi điều khiển Atmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32KB (Atmega328) với 0.5KB dùng bootloader SRAM KB (Atmega328) EEPROM KB (Atmega328) Bảng 2.2: Bảng chức chân Arduino Uno Chức chân: GND (Ground): Khi dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với 5V: cấp điện áp 5V Dòng tối đa cho phép chân 500mA 3.3V: cấp điện áp 3.3V Dòng tối đa cho phép chân 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù khơng lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn 33 RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Các cổng vào/ra: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển Atmega328 (mặc định điện trở khơng kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau: chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thơng qua chân Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na kết nối Serial khơng dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng chân không cần thiết Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analog Write() Nói cách đơn giản, điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngồi chức thơng thường, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (k hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 đến 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức cấp điện áp 2.5V vào chân dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V đến 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác Atmega328 chíp vi điều khiển sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hẳn Atmega8 Atmega 328 vi điều khiển bít dựa kiến trúc RISC nhớ chương trình 32KB ISP flash ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, nhớ RAM vô lớn giới vi xử lý bít (2KB SRAM) 34 Hình 2.8: Vi xử lí Atemega 328 Hình 2.9: Sơ đồ chân Atemega 328 Các thơng số vi điều khiển Atmega328: - Bộ vi xử lý - Giao diện SPI đồng - Kiến trúc: AVR 8bit - Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz - Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB - Bộ nhớ EEPROM: 1KB - Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V - Số timer: timer gồm timer 8-bit timer 16-bit - Số kênh xung PWM: kênh (1timer kênh) 35 Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lí mạch Arduino Uno R3 2.2.6.2 Module điều khiển sạc ngắt ắc quy ESP8266 Giới thiệu chung ESP8266 Kít ESP8266 kít phát triển dựa chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sửa dụng tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 borad Bên ESP8266 có sẵn lõi vi sử lý bạn trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà khơng cần thêm vi sử lý Hiện có hai ngơn ngữ lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE Arduino để lập trình với thư viện riêng sử dụng phần mềm node MCU NodeMCU ESP8266 Lua CP2102 kit phát triển dựa chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng đặc biệt sử dụng trực tiếp trình biên dịch Arduino để lập trình nạp code, điều khiến việc sử dụng lập trình ứng dụng ESP8266 trở nên đơn giản NodeMCU ESP8266 Lua CP2102 sử dụng chip nạp giao tiếp UART ổn định CP2102 có khả tự nhận Driver tất hệ điều hành Window Linux, phiên nâng cấp từ phiên sử dụng IC nạp giá rẻ CH340 36 NodeMCU ESP8266 Lua CP2102 chân đầy đủ Version ESP8266 với chân GPIO, chân ADC, giao tiếp UART, giao tiếp SPI hỗ trợ PWM Hình 2.11: Sơ đồ ngun lí mạch Arduino Uno R3 URXD(RX) : dùng để nhận tín hiệu giao tiếp UART với vi điều khiển VCC : đầu vào 3.3V GPIO : kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader RST : chân reset cứng module, kéo xuống mass để reset GPIO : thường dùng cổng TX giao tiếp UART để debug lỗi CH_PD : kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot updating lại module, nối với mức cao GND : nối với mass UTXD (TX) : dùng để truyền tín hiệu giao tiếp Thơng số kỹ thuật: Chip : ESP8266EX SoC Wifi Băng tần WiFi : 2.4 GHz chuẩn 802.11 b/g/n Phiên firmware : NodeMCU V1.0 Điện áp hoạt động : 3.3V Điện áp vào : 5V 37 Số chân I/O : 11 (tất chân I/O có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0) Số chân Analog Input: (điện áp vào tối đa 3.3V) Bộ nhớ Flash : 4MB Chip giao tiếp UART: CP2102 Giao tiếp : Cable Micro USB Hỗ trợ bảo mật : WPA/WPA2 Tích hợp giao thức TCP/IP Lập trình ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU – Lua 2.2.7 Phần mềm giám sát Blynk ioT: Blynk tảng với ứng dụng iOS Android để điều khiển Arduino, Raspberry Pi ứng dụng tương tự qua Internet Nó bảng điều khiển kỹ thuật số nhờ bạn xây dựng giao diện đồ họa cho dự án cách kéo thả widget Việc thiết lập thứ đơn giản bạn bắt đầu sau chưa đầy phút Blynk không bị ràng buộc với số bo shield cụ thể Thay vào đó, hỗ trợ phần cứng mà bạn lựa chọn Cho dù Arduino Raspberry Pi bạn liên kết với Internet qua Wi-Fi, Ethernet chip ESP8266, Blynk giúp bạn online sẵn sàng cho IoT Cách hoạt động Blynk điều khiển phần cứng từ xa, hiển thị liệu cảm biến, lưu trữ liệu, trực quan hóa làm nhiều thứ hay ho khác Có ba thành phần tảng: Ứng dụng Blynk - cho phép bạn tạo giao diện cho dự án cách sử dụng widget khác Blynk Server - chịu trách nhiệm tất giao tiếp điện thoại thơng minh phần cứng Bạn sử dụng Blynk Cloud chạy cục máy chủ Blynk riêng Nó mã nguồn mở, dễ dàng xử lý hàng nghìn thiết bị chí khởi chạy Raspberry Pi Thư viện Blynk - dành cho tất tảng phần cứng phổ biến - cho phép giao tiếp với máy chủ xử lý tất lệnh đến lệnh Mỗi bạn nhấn nút ứng dụng Blynk, thông điệp truyền đến không gian đám mây Blynk, tìm đường đến phần cứng bạn 38 Đặc tính API giao diện người dùng tương tự cho tất phần cứng thiết bị hỗ trợ Kết nối với đám mây cách sử dụng: - Wifi - Bluetooth BLE - Ethernet - USB (Nối tiếp) - GSM - Bộ Widget dễ sử dụng - Thao tác ghim trực tiếp mà khơng cần viết mã - Dễ dàng tích hợp thêm chức cách sử dụng ghim ảo - Theo dõi liệu lịch sử qua tiện ích SuperChart - Giao tiếp thiết bị với thiết bị sử dụng Bridge Widget - Gửi email, tweet, push notification Các tính liên tục bổ sung! Hình 2.12: Phần mềm giám sát Blynk ioT 39 2.2.8 Nguyên lý hoạt động sạc ngắt ắc quy hệ thống mô phỏng: + Nếu ác quy(C2) nạp đầy đến 13.3V rờ le (RL1) ngắt, 12.5V đóng Điện áp đầu vào(AC), theo q trình thử nghiệm lúc có gió mạnh điện áp lên đến 30V điện áp qua cầu đi-ốt đến chỉnh dòng,13.3V tự động tắt + Ngồi có cảm biến dịng để kiểm sốt cơng suất tiêu thụ tải gửi qua ESP8266, nối với arduino để đo dòng đo áp sau gửi tín hiệu cho ESP8266, nạp đầy RL1 ngắt Hình 2.13: Mạch điều khiển hệ thống sạc ngắt cho ắc quy 40 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mô tả môi trường thử nghiệm Ngày nay, nhu cầu sử dụng điện lớn tình trạng thường xuyên bị cắt diện tải Trước thực tế xúc nhà máy thủy diện nhiệt diện nước ta ngày chưa dáp ứng nhu cầu tốc dộ phát triển kinh tế xã hội dất nước Ðặc biệt nam gần dây, tình hình thời tiết biến động phức tạp liên tục, nguồn nước ngầm bị cạn kiệt, sơng ngịi bị tro dáy vào mùa khơ Do dó, để dảm bảo nhu cầu sử dụng điện cung thực sách sử dụng diện tiết kiệm phủ, hệ thống lượng gió cơng suất nhỏ dùng hộ gia dình lựa chọn phù hợp với hộ gia dình, trang trại cung nhà máy, xí nghiệp 3.2 Mơ tả thử nghiệm thực tế Để khảo sát hệ thống cách thực nhất, tua bin gió thử nghiệm mơi trường ngồi trời, cụ thể tầng hộ gia đình Hình 3.1: Mơi trường thử nghiệm 3.3 Các kịch thử nghiệm Trên sở tua bin thiết kế chế tạo em tiến hành khảo sát đo điện áp, dịng điện, cơng suất với kịch sau: ❖ Kịch 1: Đo điện áp, dịng điện, cơng suất chế độ khơng tải 41 ❖ Kịch 2: Đo điện áp, dịng điện, cơng suất chế độ có tải 35W lúc gió nhỏ (tốc độ 10 vòng/phút) ❖ Kịch 3: Đo điện áp, dịng điện, cơng suất chế độ có tải 35W lúc gió vừa (tốc độ 17 vịng/phút) ❖ Kịch 4: Đo điện áp, dịng điện, cơng suất chế độ có tải 35W lúc gió to (tốc độ 26 vịng/phút) 3.4 Mô tả thông số đo Lần đo Tốc độ quay (vịng/phút) Dịng điện (A) Điện áp (V) Cơng suất (W) Phụ tải (W) Kịch 26 0.1 14,5 1.3 Không tải Kịch 10 0.9 11.5 Tải 35W Kịch 17 1.4 11.8 16 Tải 35W Kịch 26 12.1 24,2 Tải 35W Bảng 3.1: Bảng mô tả kết đo theo kịch Hình 3.2: Mơi trường thử nghiệm 42 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Trong trình thực đồ án em nhận hướng dẫn tận tình, hiệu thầy giáo môn giúp đỡ bạn giúp cho em hoàn thành đồ án Trong đồ án em tìm hiểu giải vấn đề sau: - Tìm hiểu gió, nguồn lượng gió ứng dụng chúng sản xuất sinh hoạt - Nghiên cứu cấu trúc chung hệ thống phát điện lượng gió nói chung hệ thống lượng gió - Thiết kế sơ hệ thống lượng gió cơng suất nhỏ dùng hộ gia đình 4.2 Kiến nghị Trong thời gian làm đề tài, thân cố gắng nghiên cứu học hỏi vốn kiến thức hạn hẹp, thời gian thực hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận góp ý phê bình thầy cô môn bạn đơng nghiệp để đồ án hồn thiện 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS- TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nhà xuất xây dựng Cao Xuân Tuyển - Nguyễn Phùng Quang (2007), Điều khiển máy điện dị nguồn kép hệ thống phát điện chạy sức gió với điều khiển dịng thích nghi bền vững sở kỹ thuật Backstepping, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, 1(3),115-120 Nguyễn Bính (2000), Điện tử cơng suất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Ngô Hồng Quang - Vũ Văn Tẩm (2006), Thiết kế cấp điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Phạm Quốc Hải – Dƣơng Văn Nghi (2003), Phân tích giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Bính (1982), Kỹ thuật biến đổi điện năng, Đại học Bách Khoa Hà Nội 44 ... cửa xây dựng, chúng nối tới mạng điện để phân phối mạng điện rộng Điện truyền qua dây dẫn phân phối tới nhà, sở kinh doanh, trường học… 23 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 2.1 Thiết kế hệ thống. .. cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng lượng gió Sau thời gian năm học tập nghiên cứu Trường Đại Học Duy Tân giao đề tài đồ án tốt nghiệp với nội dung: ? ?Xây dựng mơ hình hệ thống điện gió công... hiệu - Xây dựng nghiên cứu cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện sức gió - Tính tốn, thiết kế hệ thống phát điện sử dụng lượng gió cơng suất nhỏ vùng núi Việt Nam, đặc biệt vùng chưa có điện lưới