1. Lý do chọn dự án Có thể thấy rằng gió là một nguồn năng lượng sạch và kinh tế do thiên nhiên ban tặng. Năng lượng gió dễ khai thác với công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư, vận hành tương đối thấp. Khai thác tốt năng lượng gió sẽ giúp đa dạng hóa các nguồn phát điện, giảm bớt gánh nặng cho lưới điện vốn dựa trên các nguồn năng lượng truyền thống. Hiện nay, việc khai thác năng lượng gió chủ yếu dựa vào các turbine gió phát điện. Tuổi thọ của một turbine gió phát điện khá cao, có thể lên đến 2030 năm. Tuy nhiên, các turbine gió chủ yếu là loại có công suất lớn, giá thành cao và không phổ biến với đại đa số người dân. Bên cạnh đó, ở nước ta còn hàng trăm ngàn hộ gia đình chưa được sử dụng điện của hệ thống điện quốc gia, đặc biệt ở những vùng sâu, vùng xa, vùng đồng bào dân tộc ít người. Việc có điện để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt cho người dân là một vấn đề cấp thiết. Chính vì các lý do trên, tác giả đã nghiên cứu và thực hiện dự án: “ Ứng dụng năng lượng gió phục vụ chiếu sáng cho người dân vùng sâu, vùng xa ” 2. Mục đích nghiên cứu Chế tạo được hệ thống năng lượng gió phục vụ chiếu sáng cho người dân vùng sâu, vùng xa. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Thiết kế, chế tạo máy phát điện bằng sức gió, có cấu tạo đơn giản, dễ vận chuyển và lắp ráp, độ bền cao, điện năng thu được từ năng lượng gió sẽ được nạp vào ắc quy dự trữ để phục vụ chiếu sáng cho người dân về ban đêm. Năng lượng dự trữ đủ để thắp sáng bóng đèn copact 13W trong 8 giờ. Kích cỡ của tuabin gió phù hợp để giá thành phù hợp với người dân, đồng thời cũng phải đủ công suất điện để nạp vào ắc quy dự trữ. Mạch nạp ắc quy tự động nạp khi bình yếu, tự động ngắt khi ắc quy đầy. Việc lắp đặt đơn giản, tiện lợi, turbine gió chắc chắn, có thể hoạt động lâu dài. 4. Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành tốt các nhiệm vụ nghiên cứu của dự án, nhóm tác giả sử dụng các phương pháp sau: + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sách, giáo trình, tài liệu + Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành chế tạo, đo đạc các thông số và phân tích dữ liệu thu được từ thực nghiệm. + Tham khảo ý kiến chuyên gia: Trong thời gian làm dự án, nhóm tác giả đã tham khảo ý kiến của các chuyên gia am hiểu về năng lượng gió.
Cuộc thi sáng tạo Khoa học – Kĩ thuật dành cho học sinh Trung học DỰ ÁN ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ PHỤC VỤ CHIẾU SÁNG CHO NGƯỜI DÂN VÙNG SÂU, VÙNG XA Lĩnh Vực Dự Thi: Vật liệu, hóa chất, lượng MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn dự án Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu PHẦN NỘI DUNG .6 Cơ sở lý thuyết 1.1 Năng lượng gió .6 1.2 Cấu tạo turbine gió 1.3 Cơng suất thu turbine gió 1.4 Đường cong cơng suất turbine gió 1.5 Sự truyền động hiệu suất máy phát 10 Quy trình thực dự án 11 2.1 Thiết kế phận hệ thống lượng gió 11 2.1.1 Bán kính cánh quạt gió 12 2.1.2.Trục đỡ cánh quạt 12 2.1.2 Máy phát điện .12 2.1.4 Tháp turbine (Trụ) 12 2.1.5 Đuôi chỉnh hướng 13 2.1.6 Lựa chọn điều khiển nạp sạc 13 2.1.7 Dung lượng bình ắc quy lưu trữ điện 13 2.2 Thi công phận 14 2.2.1 Cánh quạt gió 14 2.2.2.Trục đỡ cánh quạt 15 2.2.3 Máy phát điện 15 2.2.4 Tháp turbine (Trụ) 16 2.2.5 Đuôi chỉnh hướng 16 2.2.6 Lựa chọn điều khiển nạp sạc 17 2.2.7 Bình ắc quy lưu trữ điện 17 2.2.8 Đèn chiếu sáng .17 2.3 Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng 18 2.3.1 Quạt tạo gió để xác định thông số hệ thống 18 2.3.2 Đo tốc độ gió 18 Kết nghiên cứu .19 3.1 Thông số kỹ thuật thiết bị 19 3.2 Thiết bị hoàn chỉnh 20 3.3 Số liệu thu từ thực nghiệm 20 Phân tích kết nghiên cứu 21 PHẦN KẾT LUẬN .22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn dự án Có thể thấy gió nguồn lượng kinh tế thiên nhiên ban tặng Năng lượng gió dễ khai thác với cơng nghệ đơn giản, chi phí đầu tư, vận hành tương đối thấp Khai thác tốt lượng gió giúp đa dạng hóa nguồn phát điện, giảm bớt gánh nặng cho lưới điện vốn dựa nguồn lượng truyền thống Hiện nay, việc khai thác lượng gió chủ yếu dựa vào turbine gió phát điện Tuổi thọ turbine gió phát điện cao, lên đến 20-30 năm Tuy nhiên, turbine gió chủ yếu loại có cơng suất lớn, giá thành cao không phổ biến với đại đa số người dân Bên cạnh đó, nước ta cịn hàng trăm ngàn hộ gia đình chưa sử dụng điện hệ thống điện quốc gia, đặc biệt vùng sâu, vùng xa, vùng đồng bào dân tộc người Việc có điện để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cho người dân vấn đề cấp thiết Chính lý trên, tác giả nghiên cứu thực dự án: “ Ứng dụng lượng gió phục vụ chiếu sáng cho người dân vùng sâu, vùng xa ” Mục đích nghiên cứu Chế tạo hệ thống lượng gió phục vụ chiếu sáng cho người dân vùng sâu, vùng xa Nhiệm vụ nghiên cứu - Thiết kế, chế tạo máy phát điện sức gió, có cấu tạo đơn giản, dễ vận chuyển lắp ráp, độ bền cao, điện thu từ lượng gió nạp vào ắc quy dự trữ để phục vụ chiếu sáng cho người dân ban đêm - Năng lượng dự trữ đủ để thắp sáng bóng đèn copact 13W - Kích cỡ tuabin gió phù hợp để giá thành phù hợp với người dân, đồng thời phải đủ công suất điện để nạp vào ắc quy dự trữ - Mạch nạp ắc quy tự động nạp bình yếu, tự động ngắt ắc quy đầy - Việc lắp đặt đơn giản, tiện lợi, turbine gió chắn, hoạt động lâu dài Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành tốt nhiệm vụ nghiên cứu dự án, nhóm tác giả sử dụng phương pháp sau: + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sách, giáo trình, tài liệu + Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành chế tạo, đo đạc thơng số phân tích liệu thu từ thực nghiệm + Tham khảo ý kiến chuyên gia: Trong thời gian làm dự án, nhóm tác giả tham khảo ý kiến chuyên gia am hiểu lượng gió PHẦN NỘI DUNG Cơ sở lý thuyết 1.1 Năng lượng gió Xem xét khối khơng khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v - Động E cho E mv2 - Khối lượng khối khơng khí : m = ρ.A.v [kg/s] - Năng lượng khối khơng khí: [W] Trong ρ mật độ khơng khí; A tiết diện khối khí; v vận tốc khối khí Như vậy, ta thấy cơng suất gió tỷ lệ với lũy thừa bậc ba vận tốc gió Hình Đồ thị mối tương quan cơng suất vận tốc gió 1.2 Cấu tạo turbine gió Turbine gió thiết kế để chuyển đổi phần động gió thành có ích Bộ phận chủ yếu turbine gió rotor Tùy thuộc vào vị trí rotor, turbine gió phân thành hai dạng: turbine gió trục đứng turbine gió trục ngang Turbine gió trục đứng Một dạng turbin gió trục đứng phổ biến turnine gió Darrieus Turnine gió Darrieus sáng tạo Mỹ G J M Darrieus vào năm 1931 - Ưu điểm: + Máy phát thiết bị truyền động đặt mặt đất + Có thể đón gió từ hướng mà không cần điều chỉnh hướng + Công nghệ chế tạo tương đối đơn giản - Nhược điểm: + Cần hệ thống dây giữ pham vi rộng + Khi tốc độ gió thấp turbine dừng lại, tốc độ gió tăng lên turbine không tự khởi động lại Do lý nên turbine gió trục đứng chưa phát triển thời gian qua Hình Turbine gió trục đứng Darrieus Turbine gió trục ngang Ngày hầu hết turbine gió thương mại sử dụng turbine gió trục ngang, có hai ba cánh quạt Đặc điểm: + Turbine gió, hộp số, máy phát đặt đỉnh tháp + Có hệ thống điều chỉnh hướng để cánh hướng hướng gió Hình Turbine gió trục ngang Hình Các phận turbine gió trục ngang 1.3 Cơng suất thu turbine gió Cơng suất thu turbine gió P m hiệu số lượng trích trữ gió phía trước cánh quạt có vận tốc ν lượng gió phía sau cánh quạt 1 Pm 3C p R 2 3C p [W] 2 có vận tốc νd: Trong đó: + R : Bán kính cánh quạt [m] + ρ : Mật độ khơng khí [kg/m3], điều kiện chuẩn ρ = 1.293 kg/m3 + υ : Vận tốc gió [m/s] + Cp: Hiệu suất cánh quạt turbine C p (1 )(1 ) , với d tỉ số tốc độ gió phía sau cánh quạt tốc độ gió vào cánh quạt d Theo tính tốn, Cp max = 16/27 ứng với giá trị Do đó, cơng suất lớn mà turbine gió thu từ gió vào khoảng 59,3% Hình Đường cong hiệu suất turbine Thơng thường turbine gió chuyển hóa khoảng 40% lượng gió thành xem tốt điều kiện thực tế thay đổi tốc độ gió, hướng gió, ma sát cánh quạt… 1.4 Đường cong công suất turbine gió Một nhân tố ảnh hưởng đến thực hệ thống chuyển đổi lượng gió cơng suất đáp ứng với vận tốc gió khác Hình Đường cong cơng suất lý tưởng turbine gió cơng suất 2MW Từ đến VI: Turbine gió khơng làm việc, khơng có công suất ngõ VI đến VR: Công suất ngõ tăng với tỉ lệ lũy thừa bậc ba vận tốc gió VR đến V0: Hệ thống lược bớt công suất công, công suất ngõ số Lớn V0: Hệ thống ngừng lại, khơng có cơng suất ngõ 1.5 Sự truyền động hiệu suất máy phát Hình Biểu đồ cơng suất hệ thống điện gió Vậy cơng suất điện ngõ máy phát : Pe = Cp ηm ηg Pω [W] Trong đó: + Pω : Năng lượng ngõ vào gió + Cp : Hiệu suất cánh quạt turbine + Pwtr :Cơng suất mà turbine gió thu + ωwtr : Vận tốc turbine gió + ηm: Hiệu suất truyền động qua hộp số + Pt : Công suất ngõ sau truyền động + ωm: Vận tốc máy phát + ηg : Hiệu suất máy phát + Pe : Công suất ngõ máy phát Hiệu suất cánh quạt turbine gió C p thay đổi nhiều theo tốc độ gió đặc điểm cấu tạo turbine Hình Đường cong biểu thị mối quan hệ hệ Cp vận tốc gió turbine 10 Quy trình thực dự án 2.1 Thiết kế phận hệ thống lượng gió Hình Các phận hệ thống lượng gió Cánh quạt 2.Trục đỡ cánh quạt Máy phát điện Tháp đỡ Đuôi chỉnh hướng Mạch nạp ắc quy Ắc quy Thơng số u cầu: - Tốc độ gió khởi động: Vkđ = m/s; - Tốc độ gió bắt đầu phát: Vp = 2.5 m/s; - Tốc độ gió định mức: Vđm = 5,5 m/s (Gió cấp 3) - Cơng suất định mức: Pđm = 50W; - Tốc độ quay totor: – 250 vòng/phút; - Loại turbine: cánh, trục ngang 11 2.1.1 Bán kính cánh quạt gió Ta có cơng thức tính bán kính turbine gió: R P U Hiệu suất turbine cực đại đạt theo lý thuyết 0.593 turbine gió ngày đạt giá trị η = 0.3 – 0.4 Chọn η = 0.35 với công suất định mức P= 50W, khối lượng riêng khơng khí ρ = 1,225 kg/m3, vận tốc gió định mức U∞ = 5,5m/s, ta tính bán kính R = 0.67 m Số cánh turbine gió 05, cánh có hình dạng khí động học 2.1.2.Trục đỡ cánh quạt Trục đỡ kim loại hình trịn đường kính 15cm để gắn cánh quạt Hình 10 Thiết kế trục đỡ cánh quạt 2.1.2 Máy phát điện Máy phát điện thành phần quan trọng thiếu tuabine gió, có nhiệm vụ chuyển đổi tuabine thành điện Tuabine nối trực tiếp với rotor máy phát thông qua trục truyền động, tức trực tiếp điều khiển máy phát Loại máy phát có tốc độ quay chậm so với loại máy phát thông thường Thông số yêu cầu máy phát điện: + Số nam châm vĩnh cửu: + Điện áp: U = 6V – 12V + Số cuộn dây: + Khối lượng: m = 3kg + Tốc độ quay: n = – 200 vòng/phút + Số pha: m=1 + Công suất tối đa: P = 110W + Kích từ nam châm vĩnh cửu 2.1.4 Tháp turbine (Trụ) Tháp hỗ trợ cánh quạt vỏ bọc động tuabine gió độ cao mong muốn 12 Sử dụng tháp hình ống cho turbine cơng suất nhỏ Chiều cao tháp 3m, điều chỉnh chiều cao cách lắp thêm ống vào chân tháp Hình 11 Thiết kế tháp Turbine (trụ) 2.1.5 Đi chỉnh hướng Đi chỉnh hướng giữ cho quạt gió ln hướng hướng gió nhiều Hình 12 Thiết kế đuôi chỉnh hướng 2.1.6 Lựa chọn điều khiển nạp sạc Bộ điều khiển nạp sạc thiết bị trung gian turbine bình ắc quy lưu trữ Nhiệm vụ điều khiển nạp sạc "điều khiển" việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh turbine gió Khi ắc quy nạp đầy điều khiển ngắt nguồn điện, nhằm bảo vệ tuổi thọ ắc quy Lựa chọn mạch sạc có thơng số đặc tính sau: + Sạc cho bình ắc quy: từ 10A + Bình ắc quy yếu tự sạc + Điện áp vào: từ – 12 VAC + Sạc bảo vệ + Điện áp ra: 6VDC + Bảo vệ chống đấu ngược cực + Sạc đầy tự ngắt + Ổn định dòng sạc + Ổn định điện áp sạc 2.1.7 Dung lượng bình ắc quy lưu trữ điện Để lưu trữ điện từ tuabine gió phát ta dùng bình ắc quy khơ để dự trữ nguồn điện chiều Khi tuabin gió khơng hoạt động hay hoạt động yếu, bình ắc quy cung cấp điện cho bóng đèn Dùng ắc quy khơ an toàn, dễ bảo quản ắc quy nước Chọn bình ắc quy 6V – 4.5Ah đủ để thắp sáng bóng đèn 13W 13 2.2 Thi cơng phận 2.2.1 Cánh quạt gió Hình 13 Các cánh quạt gió Hình 14 Bố trí cánh quạt gió 14 2.2.2.Trục đỡ cánh quạt Hình 15 Trục đỡ cánh quạt đường kính 15cm 2.2.3 Máy phát điện Hình 16 Máy phát điện với cuộn dây stator 15 2.2.4 Tháp turbine (Trụ) Hình17 Trụ turbine gió cao 3m 2.2.5 Đi chỉnh hướng Hình 18 Đi chỉnhhướng turbine gió 16 2.2.6 Lựa chọn điều khiển nạp sạc Hình 19 Mạch điều khiển sạc tự động 2.2.7 Bình ắc quy lưu trữ điện Hình 20 Bình ắc quy lưu trữ điện 6V - 4,5Ah 2.2.8 Đèn chiếu sáng Hình 21 Đèn chiếu sáng cơng suất 13W 17 2.3 Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng 2.3.1 Quạt tạo gió để xác định thơng số hệ thống Sử dụng quạt công nghiệp công suất lớn để tạo gió mơ Thơng số kỹ thuật quạt + Kích thước: 30” + Lượng gió: 18000m³/h + Có thể điều chỉnh tốc độ động để điều chỉnh tốc độ gió Hình 22 Quạt gió cơng nghiệp 2.3.2 Đo tốc độ gió Sử dụng máy đo tốc độ gió GM-8908 để xác định vận tốc gió Hình 23 Máy đo tốc độ gió GM – 8908 18 Máy đo tốc độ gió GM-8908 thiết bị đo tốc độ gió cầm tay tiện dụng Tính máy đo nhiệt độ khơng khí trung bình, đo tốc độ gió, mơ phản ứng gió Thơng số kỹ thuật máy + Đo tốc độ không khí: ~ 30 m/s (± 5%) + Đo nhiệt độ khơng khí: -10 ~ 45oC, 14 ~ 113oF (± 2oC) + Độ phân giải: 0,2oC, 0.2 m/s + Màn hình: LCD + Cảm biến tốc độ gió: cánh quạt nhựa, cảm ứng từ + Cảm biến nhiệt độ: nhiệt kế NTC + Dấu hiệu thơng báo pin yếu: có + Tự động tắt: 14 phút mà khơng có hoạt động + Công nghệ đèn nền: 12 giây hoạt động cách bấm phím + Tính đọc MAX/ MIN/ AVG Kết nghiên cứu 3.1 Thông số kỹ thuật thiết bị - Tốc độ gió khởi động: m/s - Tốc độ gió bắt đầu phát: 2,5 m/s - Tốc độ gió định mức: 5,5 m/s ( Gió cấp 3) - Cơng suất định mức: 50W - Tốc độ quay rotor: – 100 vg/ph - Loại turbine: cánh, trục ngang - Trọng lượng: 7,5 kg - Đường kính cánh quạt : 1,5m 19 3.2 Thiết bị hồn chỉnh Hình 24 Turbine gió đèn chiếu sáng 3.3 Số liệu thu từ thực nghiệm Công suất ngõ ứng với vận tốc gió Tốc độ gió (m/s) 2.5 5.5 Công suất (W) 0 4.7 19 38 50 65 103 20