ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG GIÓ TRONG ĐỜI SỐNG
Năng lƣợng gió – nguồn năng lƣợng sạch vô tận
1.2.1.1 Năng lƣợng gió trên thế giới
Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, vấn đề nguồn năng lượng cần được xem xét lại do nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng Năng lượng sạch, bao gồm năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, sóng biển và thủy triều, đang được chú trọng như một lựa chọn thay thế cho ngành năng lượng trong tương lai Những nguồn năng lượng này không chỉ cải thiện cuộc sống con người mà còn bảo vệ môi trường Chúng cũng là giải pháp cho các vùng nông thôn biệt lập, nơi phát triển lưới điện không khả thi về kinh tế, trong đó năng lượng gió nổi bật với khả năng khai thác dễ dàng và chi phí đầu tư thấp.
Theo nghiên cứu, năng lượng mặt trời trên trái đất ước tính khoảng 173.000 tỉ kW, trong khi năng lượng gió đạt khoảng 3.500 tỉ kW Năng lượng có thể khai thác từ gió trên toàn cầu lớn hơn tổng năng lượng từ các dòng sông trên trái đất từ 10 đến 20 lần.
Năng lượng gió đã được khai thác từ lâu để phục vụ cho các hoạt động như bơm nước và điều khiển thuyền buồm, với sự xuất hiện của cối xay gió từ thế kỷ 12 Kể từ đó, nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng gió đã diễn ra mạnh mẽ, với sự gia tăng đáng kể cả về số lượng và chất lượng Theo thống kê, đến cuối năm 2003, tổng công suất lắp đặt tại các nhà máy năng lượng gió đã đạt được những con số ấn tượng, phản ánh sự phát triển không ngừng của lĩnh vực này.
Trên thế giới, công suất phát điện từ tua-bin gió đạt 39.294 MW, gấp hơn 4 lần tổng công suất lắp đặt của các nhà máy điện tại Việt Nam hiện nay và tăng 26% so với năm 2002 Việc sử dụng năng lượng gió đã được khoa học chứng minh và phát triển nhanh chóng, với giá thành điện năng từ tua-bin gió giảm từ 6,15 UScent/kWh năm 1995 xuống còn 3,91 UScent/kWh năm 2005 Hiện nay, giá thành lắp đặt tua-bin gió trung bình khoảng 1000 USD/kW, cho thấy sự tin cậy trong công nghệ và giá thành sản xuất điện năng ngày càng rẻ hơn, thu hút nhiều nước đang phát triển như Ấn Độ và Trung Quốc triển khai các dự án năng lượng gió.
1.2.1.2 Tình hình phát triển điện gió của Việt Nam
Trước tình hình nguồn năng lượng truyền thống ngày càng khan hiếm, việc khai thác năng lượng mới như năng lượng mặt trời và gió đang trở thành ưu tiên hàng đầu của nhiều quốc gia Mặc dù Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió thấp, một số vùng hải đảo và ven biển miền Trung lại có tốc độ gió cao, phù hợp cho phát điện Tốc độ gió cần thiết để vận hành tua-bin thương mại là khoảng 6-7 m/s ở độ cao 40-60m Tại độ cao 30m, tốc độ gió trung bình ở các vùng bờ biển Việt Nam đạt khoảng 4-5 m/s, trong khi một số hòn đảo độc lập có thể đạt trên 9 m/s, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển năng lượng gió.
Từ những năm 80, nhiều nhà khoa học đã chú trọng nghiên cứu và khai thác năng lượng gió để phát điện Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại vẫn chỉ dừng lại ở các ứng dụng ban đầu.
Các thiết bị có công suất thấp từ vài trăm đến 1.000W đang được nghiên cứu nhằm cung cấp điện cho các hộ gia đình ở vùng sâu, vùng xa và hải đảo, nơi mà lưới điện Quốc gia chưa đến được Định hướng này đã được nhấn mạnh trong kế hoạch phát triển nguồn điện năm 2010 của Tổng Công ty Điện Lực Việt Nam (EVN).
Gần đây, nhiều dự án nhà máy điện gió quy mô công nghiệp đang được triển khai, trong đó có nhà máy điện gió 750 kW tại huyện đảo Bạch Long Vĩ – Hải Phòng, được lắp đặt vào năm 2003 Ngoài ra, dự án nhà máy điện gió Cửa Tùng tại huyện Vĩnh Linh - Quảng Trị cũng đã được nghiên cứu và lập dự án khả thi với công suất dự kiến cao.
Gió là nguồn năng lượng sạch và kinh tế từ thiên nhiên, với tuổi thọ tua-bin phát điện lên đến 20-30 năm, và nhiều tua-bin đã hoạt động hơn 50 năm vẫn hiệu quả Khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió giúp đa dạng hóa các nguồn phát điện, giảm áp lực cho lưới điện truyền thống Hiện nay, thách thức là quy hoạch và sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý.
Thiết bị sử dụng năng lƣợng gió
1.2.2.1 Lưới điện sử dụng năng lượng gió
Gần đây, các nhà khoa học Mỹ đã đề xuất giải pháp kết nối các nhà máy năng lượng gió thông qua mạng lưới đường dây truyền tải, nhằm nâng cao hiệu quả cung cấp điện Để giải quyết tình trạng thiếu năng lượng toàn cầu và bảo vệ môi trường, việc khai thác năng lượng gió đã được đẩy mạnh Năng lượng gió mang lại nhiều lợi ích trong việc sản xuất điện năng với chi phí thấp Tuy nhiên, thách thức lớn nhất mà các nhà máy điện gió phải đối mặt là sự không ổn định của nguồn điện do sự biến đổi của gió.
Để khắc phục nhược điểm của năng lượng gió, các nhà máy điện gió được kết nối bằng hệ thống đường dây truyền tải, giúp tạo ra nguồn điện năng ổn định Nghiên cứu của Cristina Archer và Mark Jacobson cho thấy, chỉ cần ba nhà máy gió nối liền trở lên là có thể đảm bảo cung cấp điện liên tục Giải pháp này cũng giảm thiểu thất thoát trong quá trình phân phối điện, khi điện được tập trung tại một điểm và chuyển đến các thành phố qua một hệ thống đường dây duy nhất.
Hiện nay, Mỹ và một số quốc gia khác đang kết nối các nhà máy điện gió, với kỳ vọng trở thành nguồn năng lượng rẻ và sạch nhất Sự phát triển này sẽ giúp giảm đáng kể lượng điện sản xuất từ các nhà máy đốt than, từ đó giảm phát thải khí nhà kính vào bầu khí quyển.
Ở những vùng xa hệ thống điện, người dân có thể tự lắp đặt cối xay gió tại nhà, miễn là không gần tòa nhà cao tầng hay cây cối Thị trường tua-bin gió nhỏ đã chứng kiến sự tăng trưởng 14% vào năm 2007, với một số tua-bin được thiết kế cho tàu thuyền, trong khi số khác phục vụ cho các hộ gia đình sống xa nguồn điện.
Nghiên cứu trong tạp chí Energy Economics cho thấy Trái Đất có đủ gió để sản xuất điện năng đáp ứng nhu cầu của nhân loại Theo Viện Năng lượng gió của Đức, thị trường năng lượng gió toàn cầu dự kiến sẽ đạt 107.000 MW/năm vào năm 2017, tăng gấp 5 lần so với mức điện hơn 20.000 MW trước đó.
MW đƣợc sản xuất hàng năm hiện nay
Chúng ta hiện đang sống trong một thế giới giàu nguồn năng lượng sạch và vô tận như mặt trời, gió, đại dương, thực vật, nguyên tử và lõi Trái đất Tuy nhiên, công nghệ và tính kinh tế trong việc khai thác những nguồn năng lượng này vẫn còn hạn chế, ảnh hưởng đến khả năng tưởng tượng và phát triển bền vững của chúng ta.
1.3.1.1 Gió ở trên cao Ý tưởng: Những turbin gió truyền thống đều ngừng khi gió lặng Các bong bóng hay rotor làm quay turbine có thể chắn mất những làn gió mạnh, chắc chắn ở độ cao (300 ÷ 450)m.Công ty Magenn Power có trụ sở ở Ottawa hy vọng sẽ tung ra thị trường loại tua-bin thương mại đầu tiên ở độ cao rất lớn-một quả khí cầu nhỏ bơm đầy khí heli có đường kính 18m vào năm 2010
Theo các nghiên cứu, nguồn phong năng ở độ cao có khả năng cung cấp năng lượng cho toàn cầu và tiềm năng khai thác vượt xa gấp 100 lần so với hiện tại Tuy nhiên, vẫn cần chờ đợi để xem liệu có thể vượt qua các rào cản công nghệ nhằm khai thác nguồn năng lượng này một cách kinh tế hay không.
Để sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu thực vật, cần một quy trình canh tác và xử lý công phu Các nhà nghiên cứu đang thay đổi cấu trúc gen của tảo để tối ưu hóa lượng tinh dầu mà chúng tiết ra, từ đó lọc ra nhiên liệu thay thế Hai công ty Synthetic Genomics, do J Craig Venter lãnh đạo, và Sapphire Energy, được Bill Gates tài trợ, đang thử nghiệm một loại tảo nhằm sản xuất nhiên liệu sinh học, là tiền thân của dầu hỏa, xăng máy bay và dầu diesel.
Nhiên liệu từ tảo đã tồn tại nhưng chưa được sản xuất một cách kinh tế Nhiều công ty, đặc biệt là trong ngành hàng không và dầu khí, đang đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này Chính phủ Mỹ đã cam kết chi 50 triệu USD cho nghiên cứu về nhiên liệu từ tảo trong năm nay.
1.3.1.3 Sóng th hệ mới Ý tưởng: Năng lượng sinh ra từ dao động của sóng có thể được chuyển hóa để vận hành các máy phát điện Ít nhất hiện có ba mươi công ty đang phát triển công nghệ thu năng lƣợng từ sóng Công ty Pelamis Wave Power của Scotland đã phát minh ra công cụ vận hành "nông trại sóng" thương mại đầu tiên chính thức đi vào hoạt động vào năm 2008 ở ngoài khơi bờ biển Bồ Đào Nha Mỗi cỗ máy có đường kính khoảng 4m có thể cung cấp đủ điện năng cho 500 hộ gia đình
Theo nghiên cứu của Viện Greentech Media/Prometheus, thị trường năng lượng đại dương có tiềm năng đạt giá trị 500 triệu USD mỗi năm trong vòng 5 năm tới, với công suất dự kiến tăng gấp 100 lần, lên tới 1 tỷ watt Mặc dù năng lượng từ sóng chưa cạnh tranh hiện tại, nhưng tiềm năng phát triển của nó rất lớn.
1.3.1.4 Năng lƣợng nhiệt hạch: Ý tưởng: Nhiệt hạch hạt nhân - một phản ứng nguyên tử cung cấp năng lƣợng cho các vì sao - có thể đƣợc sử dụng để tạo ra năng lƣợng sạch
Vào năm 2010, hệ thống laser mạnh mẽ National Ignition Facility tại Mỹ sẽ tập trung 192 tia laser vào cap-xun siêu nhỏ chứa khí hy-đrô, nhằm kích hoạt phản ứng nhiệt hạch Dự đoán rằng phản ứng này sẽ sản sinh ra năng lượng vượt trội hơn so với lượng năng lượng tiêu thụ, đánh dấu bước tiến quan trọng trong nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch.
Trong suốt 50 năm qua, các nhà khoa học đã nỗ lực nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch, với chính phủ Mỹ đầu tư hơn 20 tỷ USD cho các dự án liên quan Tuy nhiên, thí nghiệm đầu tiên sử dụng năng lượng nhiệt hạch có thể phải chờ ít nhất 15 năm nữa mới được thực hiện.
TUA-BIN – CÁNH QUẠT
Hiện nay, thực tế có rất nhiều loại tua-bin gió và mỗi loại có nhiều kích thước khác nhau Thông thường người ta chia làm hai dạng chính:
- Tua-bin có trục nằm ngang
- Tua-bin có trục nằm dọc
Hầu hết các tua-bin gió hiện nay đều có dạng trục nằm ngang, và kích thước của chúng có mối quan hệ trực tiếp với công suất phát điện.
Hệ thống cánh của tua-bin gió được thiết kế để tối ưu hóa việc thu thập năng lượng từ gió, sử dụng nguyên liệu tổng hợp có khả năng chịu đựng cường độ gió lớn và thay đổi hướng gió đột ngột Với hình dáng khí động học, chúng hỗ trợ hiệu quả cho quá trình quay, chuyển động và dừng khẩn cấp, nhờ vào hệ thống phanh hãm được điều khiển tự động.
Hệ thống điều khiển tua-bin gió tối ưu hóa sức mạnh sản xuất bằng cách điều chỉnh góc cánh theo điều kiện gió, giảm thiểu hư hại Hệ thống này so sánh công suất máy phát và năng lượng gió thực tế để điều chỉnh góc cánh, nhằm khai thác tối đa năng lượng gió cho việc phát điện.
Bánh răng quay góc cánh được điều khiển bởi hệ thống điện - thủy lực, mang lại nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, sức mạnh và tính đơn giản Việc điều chỉnh chính xác góc cánh không chỉ nâng cao hiệu quả khai thác mà còn đảm bảo tính kỹ thuật và an toàn trong quá trình sử dụng.
Bộ điều chỉnh góc cánh bằng bánh răng hoạt động như một hệ thống phanh hãm thông thường, với khả năng quay cánh đến 88 độ (vị trí quay ngửa ra) ở tốc độ 5,7 độ/giây Trong chế độ hãm khẩn cấp, hệ thống thủy lực sử dụng thêm các van khuếch đại khác để tăng tốc độ quay cánh lên 15 độ/giây.
Các tua-bin gió truyền thống hoạt động theo chế độ “dừng – điều khiển” và thường vận hành ở tốc độ cố định hoặc gần tốc độ quay của gió.
Tất cả các tua-bin gió đều cần một tốc độ gió tối thiểu để sản xuất điện năng và sẽ dừng lại khi tốc độ gió vượt quá giới hạn an toàn Đối với động cơ gió 150 kW, tốc độ gió cho phép cánh quạt hoạt động nằm trong khoảng từ 5 đến 25 m/s.
ROTOR TUA-BIN
Roto loại trục ngang với 3 cánh có công suất được điều khiển thông qua bộ điều khiển góc cánh hướng, bánh răng và bộ biến đổi tốc độ vô cấp, giúp máy phát điện hoạt động ở tốc độ tối ưu Kết nối giữa cánh và May-ơ thông qua gối cầu cho phép các cánh tự quay quanh trục của chúng Bộ điều khiển góc cánh bằng bánh răng điều chỉnh cánh từ góc 0° đến 90° để tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng gió với tốc độ từ 12 đến 25 m/s, đồng thời khởi động và ngừng tua-bin hiệu quả Trục roto được đặt nghiêng 5° so với phương nằm ngang và hướng gió, với chiều quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ hướng gió.
MÁY PHÁT
Máy phát điện có chức năng chuyển đổi cơ năng thành điện năng, được kết nối với hộp số thông qua khớp giãn nở Thiết bị này được lắp đặt trên khung vỏ có nệm cao su giãn nở và được gắn kết cơ học bằng bulong – ecu.
HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG
Tua-bin gió được trang bị hệ thống định vị chủ động giúp định hướng roto trên đỉnh tháp, kết nối tháp với cấu trúc vỏ thông qua gối đỡ Gối đỡ này được cố định vào tháp bằng bulong, tách biệt với bánh răng mà động cơ định hướng hoạt động Bên trong tháp, có một đĩa lắp đặt các hệ thống hãm phanh vòng ngoài, được gắn chặt vào mặt trong của gối đỡ và kết cấu vỏ của tua-bin gió.
Các con quay gió được lắp đặt trên vỏ tua-bin gió giúp điều khiển bằng tín hiệu, xác định hướng của tua-bin có thẳng hàng với hướng gió hay không Tần số hoạt động của cánh gió được duy trì trong khoảng (70÷120) vòng/phút Nếu tua-bin không thẳng hàng với gió, năm bộ phanh vị trí sẽ được kích hoạt để hỗ trợ hai động cơ bánh răng điều chỉnh vị trí vỏ Hệ thống phanh hãm định hướng sẽ triệt tiêu mô men xoắn cục bộ, đảm bảo tính linh hoạt và an toàn cho toàn bộ hệ thống.
CÔNG SUẤT CÁC LOẠI TUA-BIN GIÓ
Dãy công suất của tua-bin gió dao động từ 50kW đến vài MW, với khả năng tạo ra năng lượng lớn hơn khi kết hợp nhiều tua-bin trong một trại gió Sự kết hợp này giúp cung cấp nguồn điện ổn định và hiệu quả cho lưới điện.
Các tua-bin gió loại nhỏ với công suất dưới 50kW thường được sử dụng cho gia đình, viễn thông và bơm nước, đồng thời có thể kết nối với máy phát diesel, pin và hệ thống quang điện Những hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió, thường được triển khai ở các vùng sâu vùng xa, nơi chưa có lưới điện hoặc không thể kết nối với mạng điện.
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MỘT TUA-BIN GIÓ
Các hệ truyền động điện dùng ĐCMCKCT
3.2.1.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)
Hình 3.9 minh họa một ĐCMCKCT ba pha đơn giản, trong đó động cơ sử dụng cảm biến quang học để xác định vị trí rotor Khi cực Bắc của rotor đối diện với cực lồi P2 của stator, phototransistor PT1 được chiếu sáng, tạo ra tín hiệu đến cực gốc của transistor Tr1, khiến Tr1 mở Tại trạng thái này, cực Nam được hình thành ở cực lồi P1 nhờ dòng điện I1 chảy qua cuộn dây W1, từ đó hút cực Bắc của rotor và làm cho rotor chuyển động theo hướng mũi tên.
Khi cực Bắc của rotor đối diện với cực lồi P1 của stator, màn chắn trên trục động cơ che PT1 và PT2, khiến Tr2 mở và dòng I2 chảy qua Tr2 Dòng điện này đi qua dây quấn W2, tạo ra cực Nam trên P2, làm rotor quay đến vị trí đối diện với P2 Khi đó, màn chắn che PT2 và phototransistor PT3 được chiếu sáng, dòng điện chuyển từ W2 sang W3 Kết quả là P2 bị khử kích thích, trong khi P3 được kích hoạt Rotor di chuyển từ P2 sang P3 mà không dừng lại Bằng cách lặp lại các chuyển mạch theo thứ tự, rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ quay liên tục theo chiều xác định.
3.2.1.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng đƣợc quấn trên stator là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trong động cơ điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transistor công suất đƣợc điều khiển theo vị trí tương ứng của rotor
Chuyển mạch hai cực tính là một bộ nghịch lưu độc lập với 6 van chuyển mạch, bao gồm các van công suất Đối với động cơ công suất nhỏ, van MOSFET thường được sử dụng, trong khi động cơ công suất lớn thường sử dụng van IGBT Để đảm bảo dẫn dòng trong các khoảng thời gian mà van không dẫn, các diode được mắc song song với các van Bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor để điều khiển các van bán dẫn, đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng tương tự như vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thường.
Một số đặc điểm về điện của ĐCMCKCT
Hình 3.12 minh họa tín hiệu của cảm biến Hall liên quan đến sức phản điện động và dòng điện pha của động cơ Hình 3.13 thể hiện thứ tự chuyển mạch của các cảm biến Hall khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ Hình 3.14 lại cung cấp ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall liên quan đến sức phản điện động và dòng điện pha Cuối cùng, Hình 3.15 tiếp tục chỉ ra các tín hiệu tương ứng.
39 thứ tự chuyển mạch tương ứng với các cảm biến Hall khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ
Mỗi khi đạt 600 điện, cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái, cho thấy cần 6 bước để hoàn thành một chu kỳ điện Đồng thời, sau mỗi 600 điện, việc chuyển mạch dòng điện pha cũng cần được cập nhật Tuy nhiên, một chu kỳ điện không nhất thiết tương ứng với một vòng quay của rotor về cơ khí, vì số lượng chu kỳ điện cần thiết để hoàn thành một vòng quay của động cơ phụ thuộc vào số cặp cực của rotor, với mỗi chu kỳ điện được xác định bởi một cặp cực rotor.
Số lượng chu kỳ điện trên một chu kỳ cơ bằng số cặp cực rotor Động cơ không đồng bộ với cuộn dây stator lệch nhau 2π/3 tạo ra sức phản điện động hình thang và dòng điện dạng hình chữ nhật Đặc tính sức phản điện động của ba cuộn dây cho phép xác định sơ đồ mở van cho bộ nghịch lưu dựa vào vị trí của cảm biến Hall Với mỗi chu kỳ có 6 lần cảm biến Hall thay đổi vị trí, sẽ có 6 trạng thái mở van khác nhau.
3.12 Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ
Hình 3.13 Thứ tự cấp điện cho các cuộn dây tương ứng với các cảm biến
Hall trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ
Hình 3.14 Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong chế độ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ
Hình 3.15 Thứ tự cấp điện cho các cuộn dây tương ứng với các cảm biến Hall trong chế độ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ
Hệ thống điều khiển động cơ một chiều không chổi than sử dụng vi điều khiển làm bộ điều khiển chính, phát xung PWM cho bộ đệm PWM - IGBT driver Để thực hiện việc phát xung PWM, vi điều khiển cần lấy tín hiệu từ cảm biến.
Hall về và căn cứ vào bảng cảm biến Hall để phát xung mở van đúng theo thứ tự cấp điện
Hình 3.16 Hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than
Bảng 3.1 và 3.2 trình bày thứ tự chuyển mạch của các van dựa trên tín hiệu đầu vào từ các cảm biến Hall A, B, C, tương ứng với chiều quay của động cơ Các cảm biến Hall được bố trí lệch nhau 60 độ.
3.1 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ
3.2 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ
3.2.2.2 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của ĐCMCKCT Đặc tính cơ của ĐCMCKCT giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thông thường Tức là mối quan hệ giữa momen và tốc độ là các đường tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác ĐCMCKCT không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn chế đánh lửa Vì vậy vùng điều chỉnh của ĐCMCKCT có thể đƣợc mở rộng hơn
Hình 3.16 Đường đặc tính cơ và đặc tính làm việc của ĐCMCKCT
Khi động cơ một chiều không chổi than hoạt động, mỗi cuộn dây sẽ tạo ra một điện áp gọi là sức phản điện động, theo luật Lenz, ngược chiều với điện áp nguồn cấp Sức phản điện động này phụ thuộc vào ba yếu tố chính: vận tốc góc của rotor, từ trường do nam châm vĩnh cửu của rotor tạo ra, và số vòng cuộn dây trong stator.
Back EMF = E ≈ NlrB.ω Trong đó: N là số vòng dây trên mỗi pha l là chiều dài rotor r là bán kính trong của rotor
Mật độ từ trường rotor (B) và vận tốc góc (ω) của động cơ là hai yếu tố quan trọng trong ĐCMCKCT, trong đó từ trường rotor và số vòng dây stator là các thông số không đổi Vận tốc góc của rotor là yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến sức phản điện động; khi vận tốc tăng, sức phản điện động cũng tăng theo Trong tài liệu kỹ thuật của động cơ, có một thông số gọi là hằng số sức phản điện động, được sử dụng để ước lượng sức phản điện động tại một tốc độ nhất định.
Tốc độ gió luôn thay đổi, dẫn đến lưới điện không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và sử dụng Khi không có gió hoặc có gió bão, cánh quạt tua-bin ngừng quay, làm cho máy phát không hoạt động và gây mất điện cho phụ tải Vì vậy, hệ thống này chỉ phù hợp cho tải dân dụng quy mô nhỏ và nạp ắc quy với chất lượng không cao Hệ thống bao gồm các phần chính.
- Blade : cánh quạt tua-bin, hấp thụ động năng của gió thành cơ năng quay máy phát
- Converter : bộ chỉnh lưu điốt biến đổi AC – DC cho hệ thống nạp ắcquy
- Battery : ắc-quy lưu điện
Bộ nghịch lưu (inverter) chuyển đổi điện một chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC) để cung cấp cho tải Nhờ vào inverter, việc cung cấp điện cho các thiết bị tiêu thụ diễn ra liên tục, ngay cả khi xảy ra sự cố về nguồn cấp điện.
Gió quay cánh quạt, làm cho máy phát điện hoạt động và tạo ra năng lượng điện Năng lượng này không được cung cấp trực tiếp cho các thiết bị mà được chuyển đổi thành dòng điện một chiều thông qua bộ Converter, với điện áp đầu ra là 12 VDC, tương ứng với điện áp của ắc-quy Mạch điện cho thấy sự cung cấp năng lượng từ ắc-quy và bộ Converter đến bộ inverter, nhằm biến đổi thành điện áp phù hợp cho thiết bị sử dụng.
Hệ thống cung cấp điện có khả năng hoạt động liên tục mà không gặp phải thời gian trễ trong bất kỳ sự cố nào về nguồn điện Điều này đảm bảo rằng máy phát hoạt động trong thời gian ngắn, giúp thiết bị sử dụng điện luôn an toàn và ổn định.
Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế kỹ thuật để chuyển đổi động năng gió thành điện năng cho các thiết bị điện trong nhà máy, trang trại và hộ gia đình Phương pháp phổ biến nhất là biến đổi điện năng từ máy phát xoay chiều sang điện áp một chiều, sau đó chỉnh lưu thành điện áp xoay chiều phù hợp.
Gió quay máy phát điện, tạo ra điện năng Khi đóng cầu dao, điện áp xoay chiều 3 pha được đưa vào cuộn sơ cấp biến áp TR 1 và biến đổi thành điện áp 12V Dòng điện xoay chiều 12VAC từ cuộn thứ cấp máy biến áp TR 1 được chỉnh lưu qua cầu chỉnh lưu 3 pha diod thành dòng 12VDC cung cấp cho bộ ắc quy và biến tần Bộ biến tần sử dụng IC 4047 để chuyển đổi điện áp 12VDC thành điện áp 12VAC, tần số 50Hz, sau đó điện áp này được đưa vào cuộn sơ cấp biến áp TR 2 và biến đổi thành điện áp 230VAC/50Hz cho tải tiêu thụ Khi mất điện lưới, cần chuyển mạch cầu dao CD để sử dụng năng lượng điện của hệ thống.
4.2.3 Tính toán phụ tải chung của một hộ gia đình Điển hình trong một hộ gia đình có các thiết bị sử dụng điện nhƣ là tivi, tủ lạnh, điều hòa, quạt Danh sách các thiết bị và công suất của chúng để tính chọn các thiết bị trong hệ thống phong điện công suất nhỏ đƣợc liệt kê trong bảng sau:
: ΣP = 2900 W Điện áp dùng trong gia đình là điện áp 220V/50Hz
- Tính dòng điện định mức :
Với Tủ lạnh, quạt, máy bơm và điều hòa sử dụng động cơ xoay chiều nên ta tính dòng mở máy và dòng quá tải :
Iqt = 1,3.Iđm (4.3) Kết quả cho ở bảng 4.2
4.2.4.1 Chọn hệ thống thu nhận và biến đổi gió
THIẾT KẾ KỸ THUẬT…
Đặt vấn đề
Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế kỹ thuật để chuyển đổi động năng của gió thành điện năng cho các thiết bị điện trong nhà máy, trang trại và hộ gia đình Phương pháp phổ biến nhất là biến đổi điện năng từ máy phát xoay chiều sang điện áp một chiều, sau đó chỉnh lưu thành điện áp xoay chiều phù hợp.
Gió quay máy phát điện tạo ra điện năng, khi đóng cầu dao, điện áp xoay chiều 3 pha được đưa vào cuộn sơ cấp biến áp TR 1 và chuyển đổi thành điện áp 12V Dòng điện 12VAC từ cuộn thứ cấp máy biến áp TR 1 được chỉnh lưu qua cầu chỉnh lưu 3 pha thành dòng 12VDC, cung cấp cho bộ ắc quy và biến tần Bộ biến tần sử dụng IC 4047 để chuyển đổi 12VDC thành 12VAC với tần số 50Hz, sau đó điện áp này được đưa vào cuộn sơ cấp biến áp TR 2 và biến đổi thành điện áp 230VAC/50Hz cho tải tiêu thụ Khi mất điện lưới, để sử dụng năng lượng từ hệ thống, cần thực hiện chuyển mạch cầu dao CD.
Tính toán phụ tải chung của một hộ gia đình
Trong một hộ gia đình, các thiết bị điện như tivi, tủ lạnh, điều hòa và quạt thường được sử dụng Để tính toán và lựa chọn các thiết bị cho hệ thống phong điện công suất nhỏ, danh sách thiết bị cùng với công suất của chúng được trình bày trong bảng dưới đây.
: ΣP = 2900 W Điện áp dùng trong gia đình là điện áp 220V/50Hz
- Tính dòng điện định mức :
Với Tủ lạnh, quạt, máy bơm và điều hòa sử dụng động cơ xoay chiều nên ta tính dòng mở máy và dòng quá tải :
Iqt = 1,3.Iđm (4.3) Kết quả cho ở bảng 4.2
Lựa chọn thiết bị
4.2.4.1 Chọn hệ thống thu nhận và biến đổi gió
Cánh quạt tua bin có khả năng hấp thụ tối đa 0.593 lần động năng của gió Năng lượng gió được phân chia thành nhiều dạng khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh quạt trong việc chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng.
Khi tương tác với cánh tua-bin, có hai yếu tố chính cần xem xét: động năng làm quay tua-bin và áp suất tác động lên bề mặt cánh Do đó, trong thiết kế cánh quạt, mục tiêu quan trọng là tối ưu hóa khả năng thu nhận động năng từ gió.
53 giảm bớt năng lƣợng áp suất tác dụng lên bề mặt.
Công suất định mức của máy phát thường được tính toán dựa trên các điều kiện tiêu chuẩn Tuy nhiên, trong thực tế, điều kiện vận hành của thiết bị có thể khác biệt so với tiêu chuẩn, dẫn đến công suất khả dụng thường thấp hơn công suất định mức.
Các điều kiện ảnh hưởng đến công suất khả dụng của máy là:
- Sự thay đổi chế độ làm mát của máy phát
- Sự lão hóa của chất cách điện, làm cho nhiệt độ chịu đựng của máy phải giảm xuống
- Những giới hạn của động cơ sơ cấp kéo nó
- Những giới hạn của các thiết bị lắp phía sau nó: máy cắt, máy biến áp, đường dây
Do công suất của tải tiêu thụ là 2900W nên chọn máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3 pha có công suất 3kW
4.2.4.2 Chọn ắc-quy dự trữ
Ắc-quy là bộ lưu trữ điện năng dưới dạng điện áp một chiều (DC), với nhiều loại khác nhau như axit chì, kín khí, chì khô, cadmium, niken và lithium, mỗi loại có chất lượng, tính năng và giá thành khác nhau Mỗi hãng sản xuất đều có quy định cụ thể về cách sử dụng, bảo quản và chế độ nạp điện cho từng loại ắc-quy Do đó, khi mua và sử dụng ắc-quy, người tiêu dùng cần nắm rõ thông tin và hiểu biết đầy đủ về sản phẩm mình lựa chọn.
Khi chọn mua ắc-quy, nên ưu tiên các sản phẩm chất lượng cao để đảm bảo hiệu suất và độ bền Mặc dù ắc-quy giá rẻ có thể thu hút ban đầu, nhưng chúng thường nhanh hư hỏng và gây ra nhiều rắc rối trong quá trình sử dụng, dẫn đến chi phí tổng thể cao hơn.
- Việc chọn dòng nạp thích hợp cho ắc-quy là một yếu tố đặc biệt quan trọng Đảm bảo ắc-quy vừa bền vừa thực sự đầy
- Thông thường dòng nạp tiêu chuẩn phải được ổn định từ 1/10 đến 1/5 dung lượng ắc-quy Thời gian tiêu chuẩn để nạp một ắc-quy thường từ 8-12 giờ
Khi chọn dòng nạp nhỏ hơn dung lượng của ắc-quy, thời gian để ắc-quy đầy sẽ lâu hơn Tuy nhiên, dòng sạc nhỏ giúp ắc-quy bền hơn và đạt được độ no thực sự tốt hơn.
Khi chọn dòng nạp quá lớn so với dung lượng của ắc-quy, ắc-quy sẽ nhanh chóng đầy nhưng dễ bị hỏng và hiện tượng đầy có thể là giả tạo Thậm chí, việc nạp quá mạnh còn có nguy cơ gây nổ.
- Khi ắc-quy đầy cần phải ngắt nạp hoặc chuyển sang chế độ nạp duy trì trong một khoảng thời gian tiếp theo để ắc-quy thực sự đầy
- Đặc biệt với một số loại ắc quy trong quá trình sạc cần phải có sự giám sát nhiệt độ chặt chẽ
Tùy theo thời gian sử dụng khi bị mất điện dài hay ngắn mà ta chọn dung lƣợng ắc-quy theo công thức sau:
- P là công suất tiêu thụ (W)
- T là thời gian hoạt động (h)
- 0,7 là hệ số sử dụng
Đối với hệ thống năng lượng gió công suất 2900 W sử dụng nguồn điện 12VDC cho hộ gia đình, điện áp của ắc-quy (U) là 12V Với thời gian sử dụng 2 giờ, ta có thể áp dụng công thức để tính dung lượng ắc-quy cần thiết.
Dung lƣợng ắc quy = = 690 Ah
Nhƣ vậy dung lƣợng ắc-quy là rất lớn, để đáp ứng đƣợc yêu cầu có thể chọn ắc-quy của hãng Pinaco nhƣ sau:
4.2.4.3 Chọn bộ chỉnh lưu và nghịch lưu
Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi tĩnh, chuyển đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều Nó sử dụng các khóa chuyển mạch để thay đổi cách nối đầu vào và ra theo chu kỳ, tạo ra đầu ra xoay chiều Khác với bộ biến tần trực tiếp, quá trình chuyển mạch trong bộ nghịch lưu diễn ra nhờ lưới xoay chiều, và hoạt động của nó phụ thuộc vào loại nguồn và tải.
Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại inverter như Hồ Điện, Aquasonic, MaxQ, Eltek, Power Master, Incosys và AST với đa dạng công suất và mức giá khác nhau Tuy nhiên, người tiêu dùng nên ưu tiên chọn các loại inverter có điện ra dòng sine chuẩn để đảm bảo hiệu suất và độ bền cho thiết bị sử dụng.
- Công suất tải tiêu thụ 2900 W
Chọn bộ inverter với đầu vào điện áp một chiều 12 VDC và đầu ra 220VAC/50Hz Do hiệu suất của inverter chỉ đạt khoảng 80%, nên cần tính toán công suất của bộ inverter phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Hệ số máy biến áp TR 2 :
Biên độ dòng sơ cấp là I 1m = = 218 A
Dòng hiệu dụng sơ cấp là I 1 = = = 154 A
Công suất thứ cấp biến áp:
Bộ biến tần với các thông số:
C 1 = 2200 ; C 2 = C 3 = 0,01 ; C 4 = 22 ; Zene Diode 240V/20A Dòng sơ cấp biến áp TR 2 là 154A, chọn transistor IGBT loại GA200SA60 với thông số 200A/600V/15kHz
* IC dùng trong bộ nghịch lưu là IC4047 :
4.7 Các chân của IC CD4047
Bộ chỉnh lưu chuyển đổi điện năng xoay chiều thành một chiều, phục vụ cho các tải như động cơ điện một chiều, kích từ máy phát đồng bộ, và cuộn dây hút trong các thiết bị điện, cũng như trong công nghệ điện hóa như mạ, đúc điện và nạp ắc quy Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng đi-ốt giúp giảm tiết diện dây quấn và ngăn chặn các thành phần sóng hài, đồng thời tránh sóng thứ tự không chạy ngược về máy phát, bảo vệ máy phát khỏi ảnh hưởng tiêu cực Trong cấu trúc này, phía sơ cấp biến áp được đấu tam giác (Δ) và phía thứ cấp được đấu sao (Y).
U nm = U2 = 12 = 29,39 V Chọn đi ốt chịu đƣợc điện áp ngƣợc k u U nm = 1,6 29,39 = 47,024 V Vậy chọn 6 đi ốt MR2000 Un = 50V, Imax = 20 A
Dòng chỉnh lưu định mức Id = 154 A
Trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi pha thứ cấp máy biến áp :
I 2 = I d = 125,7 A Trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi pha phía sơ cấp :
I1 = I2 = 125,7 = 3,97 A Công suất biểu kiến máy biến áp :
4.2.4.4 Thiết bị đo, đếm, bảo vệ :
Trong sơ đồ có thiết bị bảo vệ nhƣ áp tô mát, cầu dao, cầu chì
- Tính chọn áp tô mát : Áp tô mát CB1 đƣợc chọn theo điều kiện :
I đmA ≥ Itt = 3,97 (A) Vậy chọn áp tô mát loại EA53-G do Nhật chế tạo có thông số:
380 10 5 Áp tô mát CB2 đƣợc chọn theo điều kiện :
I đmA ≥ Itt = 11,37 (A) Vậy chọn áp tô mát loại EA53-G do Nhật chế tạo có thông số:
KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG NG CƠ
NG CƠ TRONG HỘ GIA ĐÌNH
Hiện nay, nhu cầu sử dụng điện năng tăng cao, nhưng tình trạng cắt điện do quá tải ngày càng phổ biến Các nhà máy thủy điện và nhiệt điện không đủ khả năng đáp ứng nhu cầu và tốc độ phát triển kinh tế xã hội Đặc biệt, thời tiết biến động phức tạp và nguồn nước ngầm cạn kiệt, cùng với các sông ngòi trơ đáy vào mùa khô, đã gây ra nhiều khó khăn trong việc cung cấp điện.
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện và thực hiện chính sách tiết kiệm điện của chính phủ, hệ thống năng lượng gió công suất nhỏ là lựa chọn lý tưởng cho hộ gia đình, trang trại và các nhà máy, xí nghiệp.
Khi đƣa vào sử dụng hệ thống này cần chú ý :
Trạm phong điện cần được đặt ở những khu vực có nhiều gió để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, vì chúng sử dụng động năng của gió để quay tua-bin.
- Trạm điện bằng sức gió nên đặt gần nơi tiêu thụ điện, nhƣ vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện
Trạm điện gió có thể được lắp đặt tại nhiều vị trí khác nhau, mang lại sự linh hoạt trong thiết kế Để tối ưu hóa chi phí xây dựng, nên chọn những địa điểm có độ cao tự nhiên như các mỏm núi hoặc trên các tòa nhà cao tầng.
Việc sử dụng hệ thống năng lượng điện gió cần chú trọng đến an toàn, đặc biệt trong thời tiết mưa bão với sức gió mạnh có thể gây hư hỏng thiết bị và nguy hiểm cho người dùng Trong điều kiện gió bão, biện pháp tốt nhất là tách cánh quạt và rô to của máy phát để bảo vệ máy phát khỏi hư hỏng do tốc độ quay quá nhanh Quá trình tách cánh quạt và rô to có thể thực hiện thông qua các khớp bánh răng, có thể được điều khiển bằng tay hoặc tự động.
Tại các khu vực miền núi và hải đảo, nơi xa nguồn điện lưới quốc gia, việc truyền tải điện năng gặp nhiều khó khăn Ứng dụng trạm điện năng lượng gió công suất nhỏ là giải pháp cấp thiết, giúp cung cấp điện cho người dân, nâng cao chất lượng cuộc sống.
Điện gió tại Việt Nam mang lại nhiều lợi ích như chủ động nguồn điện, sử dụng năng lượng tái tạo, không gây ô nhiễm và chất lượng tương đương với điện lưới quốc gia Trong bối cảnh hiện nay, khi nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc chuyển sang sử dụng điện gió là một xu hướng tất yếu và cần thiết.