đề tài thiết kế chế tạo và vận hành mô hình cây điện gió sử dụng bộ vi điều khiển stm32

quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề chosự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia.Turbine gió trục đứng kiểu SavoniusTuy nhiên mãi đến n

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 3

1.1.1 Gió và tài nguyên gió 3

1.1.2 Tình hình phát triển điện gió trên thế giới 5

1.1.3 Tiềm năng và trữ lượng gió ở Việt Nam 8

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÂY ĐIỆN GIÓ 8

1.2.1 Cấu tạo động cơ tubin gió 8

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của tuabin gió 9

1.2.3 Các kiểu tubin gió 10

1.2.4 Giới thiệu về cây điện gió 12

1.2.5 Cấu tạo cây điện gió 12

1.3 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 15

1.3.1 Bộ biến đổi điện áp AC – DC 15

1.3.2 Bộ biến đổi điện áp DC – DC 16

1.3.3 Bộ biến đổi điện áp DC – AC 17

1.3.4 Bộ biến đổi điện áp AC – AC 17

1.4.Công thức tính công suất tuabin gió 17

1.5 TỔNG KẾT 18

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 20

2.1 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP (BOOST) 20

2.2 TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC LINH KIỆN MẠCH LỰC 22

2.3 MÔ PHỎNG MẠCH LỰC TRÊN MATLAB/ SIMULINK 24

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 26

3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 26

3.2 TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 37

3.3 MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 38

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG STM32 40

4.1 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARM 40

4.2 GIỚI THIỆU VỀ STM32 40

4.2.1 STM32 là gì ? 40

4.2.2 Một vài đặc điểm nổi bật của STM32 41

4.3 Giới thiệu LCD 46

4.4 Phân tích mạch cây điện gió 48

1 Mạch điều khiển điện gió: 48

2 Mạch CV12TO380 51

4.5 Kết quả thực nghiệm cây điện gió 52

4.5.1 Điện áp của ắc quy 53

4.5.2 Điện áp ra của DC-DC tăng áp 53

CHƯƠNG5 MÔ HÌNH CÂY ĐIỆN GIÓ 5.1.Mô hình cây điện gió và máy biến áp 54

5.2.Mạch thực 55

LỜI GIỚI THIỆU

Nguồn năng lượng đang là một vấn đề toàn cầu Cũng với sự phát triểncủa các ngành công nghiệp, năng lượng truyền thống đang ngày càng cạnkiệt Nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới, sạch, có thể tái tạo được, là bàitoán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển.

Cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế, Việt Nam cũng gặp phảinhững khó khăn và trở ngại chung khi thiếu hụt về năng lượng, trong khi cácnguồn năng lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng Mặt khác, Việt Namcòn có lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là rất dồidào Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồnnăng lượng gió Và những năm gần đây, khai thác năng lượng gió đang đượcnhà nước quan tâm.

Chính vì vậy đề tài “Thiết kế, chế tạo và vận hành mô hình cây điệngió sử dụng bộ vi điều khiển STM32” là điều đáng được quan tâm và khai

thác Đề tài này được trình bài trong 5 chương:Chương 1 Tổng quan về năng lượng điện gió.Chương 2 Thiết kế mạch động lực.

Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển.

Chương 4 Thiết kế mạch điều khiển sử dụng STM32.Chương 5 Mô hình thực nghiệm.

Trong quá trình thực hiện đồ án em đã cố gắng tìm tòi học hỏi và nghiêncứu để hoàn thành bản đồ án Do kiến thức và bản thân còn nhiều hạn chế nênđồ án này của em khó tránh khỏi những thiếu sót Vậy em rất mong muốnnhận được sự góp ý từ phía thầy cô để em hoàn thiện kiến thức cho bản thânhơn

Qua đây em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Mai Văn Duy đã hướng dẫn vàgiúp đỡ em trong quá trình làm đồ án

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1.1 Gió và tài nguyên gió

Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành cáccỗ máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió để dongbuồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc Hìnhảnh cối xay gió trên những miền quê phương Tây đã trở nên tiêu biểu quanhiều thế kỷ.

Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầu tiên ra đời, vớitên gọi là turbine-gió để phân biệt với cối-xay-gió (biến năng lượng gió thànhcơ năng) Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điệnđầu tiên trên thế giới tại Cleveland, Ohio vào năm 1888 Giống như một cốixay gió khổng lồ có đường kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng Năm 1891nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng mộtturbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Turbine gió này có một rô to bốncánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn.

Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩycủa khái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hìnhtròn, Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine giótrục đứng Darrieus Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiềuhơn) cánh mềm dạng cánh máy bay Một đầu cánh gắn ở đỉnh và một đầu gắnxuống đáy của trục đứng chính turbine, giống như một cái máy đánh trứngkhổng lồ Sau đó những mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh đểhiệu suất turbine cao hơn.

Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khảnăng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạchhiện đại Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người

quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề chosự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia.

Turbine gió trục đứng kiểu Savonius

Tuy nhiên mãi đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đủthuận lợi để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện.Hầu hết các nghiên cứu và phát triển đều tiến hành trên turbine trục ngang,mặc dù vẫn có các nghiên cứu sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đứng Darrieus ởCanada và Mỹ vào những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của nó là chiếcmáy với đường kính rô to là 100m có công suất 4.2MW với tên gọi “Eole C”tại Cap Chat – Quebec, Hình 3.4 Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 thángthì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng của cánh quạt quá kém.

Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 côngsuất tối đa của các turbine gió chỉ có 50 kW Đến năm 1995 các turbine gióthương mại đã đạt công suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW Trong thờigian đó, chi phí xây dựng các turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điệnnăng giảm đi một nửa Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loạicực nhỏ, vì sản lượng của chúng chỉ vài kWh/tháng Các turbine gió ngày nayđược xây dựng với kích thước lên đến 3 MW và đường kính là 100m Hiệnnay có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn.

Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡnhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, công nghệ turbine gió có thểgiải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứngnhà kính, tuân thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng

Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu Âu,cho thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng Mỹ và Canada cũngtích cực phát triển mở rộng tăng công suất năng lượng gió Tốc độ mở rộngphụ thuộc vào mức độ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các nước cũng nhưcộng đồng quốc tế Đây cũng là trách nhiệm chính cho các nước trong việctuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị Định Thư Kyotovề cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính Một làn sóng công nghệ mới đãvà đang phát triển nhanh chóng với mục tiêu tương lai là cải thiện công suấtvà giảm giá thành.

1.1.2 Tình hình phát triển điện gió trên thế giới

Năng lượng gió đã được sử dụng từ năm 4000 trước Công nguyên đểcung cấp năng lượng cho thuyền buồm, xay ngũ cốc, bơm nước cho các trangtrại và gần đây là tạo ra điện Chỉ riêng ở Mỹ, hơn 6 triệu cối xay gió nhỏ, hầuhết có công suất dưới 5 mã lực, đã được sử dụng từ những năm 1850 để bơmnước Cối xay gió nhỏ đã được sử dụng để tạo ra điện từ năm 1900, nhưng sựphát triển của tua-bin gió hiện đại chỉ mới diễn ra gần đây nhằm ứng phó vớicuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu những năm 1970 Cần lưu ý sự khácbiệt giữa thuật ngữ cối xay gió được sử dụng để phát điện cơ học (nghiền ngũcốc, bơm nước, v.v.) và tua bin gió được sử dụng để phát điện, mặc dù về mặtkỹ thuật cả hai thiết bị đều là tua bin vì chúng lấy năng lượng từ chất lỏng.

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng phát triển nhanhnhất trên thế giới Với sự trợ giúp của các công trình lắp đặt gần đây trên toànthế giới, tổng công suất năng lượng gió của thế giới đã tăng lên 539 GW(gigawatt, 1 GW = 1000 MW = 1 triệu kW) tính đến cuối năm 2017 TrungQuốc là quốc gia dẫn đầu thế giới với công suất điện gió là 188 GW Hoa Kỳđứng thứ hai với công suất 89 GW Đức, Ấn Độ và Tây Ban Nha theo saudanh sách này với công suất lần lượt là 56, 33 và 23 GW Mức tăng nănglượng gió lần lượt là 16,6, 17,2, 11,8 và 10,8% trong các năm 2014, 2015,

cầu điện toàn cầu.

Altamont Pass ở California là trang trại gió lớn nhất thế giới với 15.000tuabin gió hiện đại Trang trại này và hai trang trại khác ở California sản xuấtkhoảng 3 tỷ kWh điện mỗi năm, đủ để đáp ứng nhu cầu điện của SanFrancisco.

Chi phí năng lượng gió đã giảm đáng kể từ khoảng 0,5 đô la/kWh vàođầu những năm 1980 xuống còn khoảng 0,05 đô la/kWh vào giữa những năm1990 Chi phí hiện tại của điện gió bao gồm chi phí vốn và vận hành là 0,082USD/kWh Giá này thấp hơn đáng kể so với chi phí của các nhà máy điện hạtnhân và than tiên tiến với giá trị trung bình là 0,11 USD/kWh Tuy nhiên, cácnhà máy khí đốt tự nhiên tiên tiến sản xuất điện với chi phí 0,063 USD/kWh.

a) Các trang trại gió đang mọc lênkhắp thế giới nhằm giúp giảm nhucầu toàn cầu hóa về nhiên liệu hóa

b) Một số tuabin gió lắp đặt trên cáctòa nhà (Tòa nhà tại trung tâm

thương mại thế giới Bahrain)

Các tua bin gió lắp trên thế giới.

Các khu vực có tốc độ gió trung bình từ 6 m/s trở lên là những địa điểm

tiềm năng để phát điện gió tiết kiệm Hầu hết các tuabin gió thương mại đềutạo ra công suất điện từ 100 kW đến 3,2 MW ở điều kiện thiết kế cao điểm.Một tuabin gió mới được lắp đặt gần đây có thể tạo ra hơn 8 MW điện Tốcđộ quay của rôto của tuabin gió thường dưới 40 vòng/phút (dưới 20 vòng/phútđối với tuabin lớn) Đường kính sải cánh (hoặc rôto) của tuabin gió 3,2 MWdo Boeing Engineering chế tạo là 320 ft (97,5 m).

Tiềm năng mật độ điện gió của Việt Nam năm 2017

Ở Việt Nam, tiềm năng gió ngoài khơi lớn hơn nhiều so với tiềm nănggió trên đất liền do bờ biển dài Gió trên biển mạnh hơn, ổn định hơn Nhữnghạn chế về sử dụng đất để đặt tua-bin và cơ sở hạ tầng truyền tải cũng thấphơn Sử dụng mô hình Nghiên cứu và Dự báo Thời tiết (WRF) (độ phân giải10 km trong 10 năm, từ 2006 đến 2015), các nghiên cứu chỉ ra rằng tiềm năngnăng lượng lớn nhất nằm ở khu vực ngoài khơi xung quanh đảo Phú Quý(Tỉnh Bình Thuận) Chỉ riêng khu vực này đã có thể cung cấp 38,2 GW côngsuất phát điện gió ngoài khơi.Bảng 3.2 Tiềm năng năng lượng gió trên đấtliền và ngoài khơi năm 2019

ISF ước tính tài nguyên gió ngoài khơi lên tới 609 GW, trải rộng trên

đến các khu vực ven biển có độ sâu nước tối đa là 50 m và khoảng cách tối đatới bờ là 70 km và sử dụng dữ liệu khí tượng năm 2015 Nghiên cứu của ISFđã ước tính thêm các yếu tố công suất và tiềm năng năng lượng gió trong khuvực Tuy là nguồn năng lượng có thể thay đổi nhưng hệ số công suất ước tínhcủa năng lượng gió ở Việt Nam lên tới 36% đối với gió trên đất liền và 54%đối với gió ngoài khơi.

1.1.3 Tiềm năng và trữ lượng gió ở Việt Nam

Tại vùng biển Việt Nam có khu vực từ Bình Thuận đến Cà Mau, là nơicó tốc độ gió đạt từ 7 đến 11m/s, cũng là nơi tiềm năng công suất năng lượnggió lớn nhất trên thế giới Khu vực ven bờ vịnh Bắc Bộ phía Bắc từ QuảngNinh đến Quảng Trị có tốc độ gió chủ yếu thấp hơn 6m/s

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÂY ĐIỆN GIÓ1.2.1 Cấu tạo động cơ tubin gió.

- Cánh (Blade): Cánh rô to là các thành phần chính của turbine dùng để bắt

năng lượng gió và chuyển đổi năng lượng gió này thành năng lượng cơ làmquay trục turbine Việc thay đổi góc pitch của cánh có thể làm tối ưu nănglượng thu được từ gió.

- Hub: Hub là điểm tâm nơi các cánh gắn vào và gắn liền với trục tốc độ thấp.- Hộp số (Gear box): Hộp số là hộp chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ

thấp

- Phanh (Brake): Phanh có cơ cấu giống phanh xe hơi, dùng để hãm và dừng

hẳn tất cả các thành phần của turbine trong quá trình công nhân sửa chữa, duytu Ở các turbine cỡ lớn thường có đến hai hệ thống phanh độc lập.

- Máy phát (Generator): Máy phát được nối vào trục tốc độ cao, là bộ phận

chính chuyển đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ởngõ ra.

- Máy đo tốc độ và hướng gió (Anemometer and Wind vane): Hai thiết bị

này sử dụng để xác định vận tốc gió và chiều gió.

- Tháp (Tower): Tháp là trụ chính để đỡ toàn bộ hệ thống.

- Thùng chứa (Nacelle): Thùng chứa là thùng chứa toàn bộ các thành phần

hệ thống trừ cánh.

- Bộ xoay hướng gió (Yaw drive): Bộ xoay hướng gió có nhiệm vụ xoay

cánh luôn luôn hướng vuông góc với luồng gió, đối với loại turbine trục đứngthì bộ phận này là không cần thiết.

- Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển là một hệ thống máy tính có thể

giám sát và điều khiển hoạt động turbine Chẳng hạn, khi gió đổi hướng hệthống này sẽ điều chỉnh để xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc với chiềugió, hoặc thay đổi góc pitch để năng lượng thu được luôn là tối ưu Khi có gióbão hoặc sự cố hệ thống sẽ cho dừng hoạt động toàn bộ hệ thống để đảm bảoan toàn

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của tuabin gió.

Tubin gió làm việc trái ngược với mộ máy quạt điện, thay vì sử dụngđiện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tubin gió lại sử dụng gió để tạora điện Năng lượng vủa gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay 1 rotor Màrotor được nối với trục chính sẽ truyền động làm quay máy phát điện để tạo rađiện.

Các tubin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió Ở tốc

cac luồng gió bất thường.

Các tubin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng,chúng ta có thể nối tới một trang mạng điện để phân phối mạng điện ra rộnghơn.

1.2.3 Các kiểu tubin gió

Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho turbine gió, và được phân ra làmhai loại cơ bản chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trụcđứng (VAWT) Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm,mái chèo, hình chén đều được dùng để “bắt” năng lượng gió để tạo ra mô menquay trục turbine.

Turbine gió trục ngang (HAWT) có rô to kiểu chong chóng với trụcchính nằm ngang Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế chothấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao nhất HAWT có các thành phần cấu tạonằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay được truyền động thông quabộ nhông và trục Loại turbine trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộnluồng khí (khí động học), nhưng yêu cầu phải có một hệ thống điều chỉnhhướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt luôn luôn hướng thẳng gócvới chiều gió.

Hình 1 Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang

1 Chiều gió đến của 2 Đường kính rô to 4 Cánh rô to

6 Máy phát7 Vỏ

13 Cánh rô to vớigóc bước cố định.14 Nền rô to.

1.2.4 Giới thiệu về cây điện gió

Những cây nhân tạo này được thiết kế với ba thân cây bằng thép và cácnhánh nhỏ khác chứa các tuabin gió thu nhỏ có hình dạng những chiếc lá Mộtcơn gió nhỏ đẩy những chiếc lá chuyển động Cây Gió bắt đầu cung cấp mộtdạng năng lượng thân thiện với môi trường.

Cây Gió chỉ cần lắp đặt trong bán kính 11m đất Công viên, trung tâmthương mại và thậm chí cả nhà ở đột nhiên trở thành địa điểm hoàn hảo để lưutrữ nguồn năng lượng tái tạo.

Hình 1.2 Hình ảnh tổng quan về cây điện gió

1.2.5 Cấu tạo cây điện gió

Hình 1.3 Bố cục tổng quan tuabin gió trục đứng

1.2.3.1 Cánh quạt

Cánh quạt là một phần quan trọng và cơ bản của tubin gió Chúng chủyếu làm bằng hợp kim nhôm, sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon Thiết kế của cáccánh quạt riêng lẻ cũng ảnh hưởng đến thiết kế tổng thể của rotor Cánh quạtlấy năng lượng ra khỏi gió Các cánh quat bắt gió và chuyển đổi thành độngnăng thành vòng quay của trung tâm.

1.2.3.2 Trục

Trục là bộ phận được quay bởi các cánh tubin Nó lần lượt được kết nốivới máy phát điện trong vỏ chính.

1.2.3.3 Vòng bi hướng tâm và lực đẩy

- Vòng bi hướng tâm thường được sử dụng để hỗ trợ trục quay cảu cánhquạt hoặc rotor Chúng giúp trục quay quay một cánh mượt mà và ổn địnhdưới sự tác động của lực từ Vòng bị hướng tâm thường bao gồm các vòng bicầu, vòng bị trụ hoặc vòng bi côn.

- Vòng bi lực đẩy: Thường được sử dụng để chịu lực đẩy theo hướngđồng trục với trục quay, giúp chịu được áp lực từ cánh quạt hoặc rotor khi đốimặt với áp lực của gió Chúng giảm ma sát và mòn trong quá trình hoạt động

của cây điện gió Vòng bị lực đẩy thường bao gồm các vòng bi cầu hoặc vòngbị trụ.

1.2.3.4 Các bộ phận điện.

Các tubin cần được kết nối với các bộ phận điện để có được năng lượng cầnthiết:

Máy phát điện Chuyển tốc độ gió.

Bộ điều khiển tuabin Nhận biết và điêù chỉnh tốc độ quay của tuabin gió.Bộ kết hợp Kết hợp công suất thu được từ mỗi tubin đến một

công suất đầu ra.

Pin Được sạc bằng điện để cung cấp điện thế tĩnh chonguồn điện hoặc giải phóng điện tíc khi cần thiết.Cầu chì Thiết bị làm gián đoạn dòng điện khi quá tải

Bộ chuyển đổi Chuyển đổi dòng điện một chiều sang dòng điệnxoay chiều

Cảm biến tubin Phanh quá tải Đọc chỉ số tiêu thụ Đọc phần trăm pin

Bảng 1.1 Bộ phận điện và chức năng

1.2.3.5 Máy phát điện

Việc chuyển đổi năng lượng cơ học quay thành năng lượng điện đượcthực hiện bởi máy phát điện Các loại máy phát điện khác nhau đã được sửdụng trong hệ thống năng lượng gió trong những năm qua Đối với các tuabingió trục ngang lớn, kích thước thương mại, máy phát điện được gắn trong mộtnacelle ở đỉnh tháp, phía sau trung tâm của rôto tuabin Thông thường, tuabingió tạo ra điện thông qua các máy không đồng bộ được kết nối trực tiếp vớilưới điện Thông thường tốc độ quay của tuabin gió chậm hơn tốc độ quaytương đương của mạng điện - tốc độ quay điển hình cho máy phát điện gió là520 vòng / phút trong khi máy được kết nối trực tiếp sẽ có tốc độ điện từ 750-

3600 vòng / phút Do đó, một hộp số được chèn vào giữa trung tâm rôto vàmáy phát Điều này cũng làm giảm chi phí và trọng lượng máy phát điện

1.2.3.6 Pin

Trong cây điện gió, pin thường không được sử dụng như trong các ứngdụng di động hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng như trong nhà Thay vào đó,các cây điện gió thường sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng lớn hơn như pinlithium-ion, pin chì-acid, hoặc các công nghệ lưu trữ năng lượng khác.

Hệ thống lưu trữ năng lượng trong cây điện gió thường được tích hợpsâu vào cơ sở hạ tầng của cây hoặc được đặt ở các trạm biến áp gần đó Cáchệ thống này được thiết kế để lưu trữ năng lượng từ cây điện gió khi sảnlượng vượt quá nhu cầu và cung cấp năng lượng khi cây không sản xuất đủ,đặc biệt là trong các điều kiện thời tiết không thuận lợi.

1.2.3.7 Ống đáy.

Ống đáy là phần cấu trúc chịu trách nhiệm cố định cây điện gió vào mặtđất Nó được thiết kế để cung cấp sự ổn định và hỗ trợ cần thiết cho toàn bộcấu trúc Đây là phần cột trụ chính của cây điện gió, tương tự như thân câythật Nó là nơi để lắp đặt các thiết bị điện tử và cơ học cần thiết cho việc tạora điện từ năng lượng gió Cấu trúc ống đáy của cây điện gió cần phải đượcthiết kế để chịu được tải trọng từ gió mạnh và đảm bảo ổn định cho toàn bộcấu trúc Vật liệu xây dựng thường làm từ thép hoặc bê tông cốt thép để đảmbảo sự cứng cáp và bền vững.

1.3 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT

1.3.1 Bộ biến đổi điện áp AC – DC

- Nhiệm vụ: Bộ đổi nguồn AC/DC là mạch điện biến đổi đầu vào dòng điện

xoay chiều (AC) thành đầu ra dòng điện một chiều (DC) Bộ chuyển đổi đượcgọi là “bộ chỉnh lưu”; chúng chuyển đổi điện áp AC đầu vào thành điện ápDC có thể thay đổi, sau đó tối ưu hóa nó thông qua một được điện áp DC

+ Bộ chuyển đổi DC-DC sử dụng chuyển đổi tần số cao và cuộn cảm,máy biến áp và tụ điện để làm mịn nhiễu chuyển đổi thành điện áp DC điềuchỉnh Các vòng phản hồi kín duy trì đầu ra điện áp không đổi ngay cả khithay đổi điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra Với hiệu suất 90%, nó thườnghiệu quả hơn và nhỏ hơn nhiều so với bộ điều chỉnh tuyến tính Nhược điểmcủa nó là nhiễu và phức tạp.

- Phân loại: Bốn cấu trúc liên kết phổ biến là bộ chuyển đổi buck, boost,

buck-boost và SEPIC.

+ Bộ chuyển đổi buck giảm điện áp xuống, tạo ra điện áp thấp hơn điệnáp đầu vào Bộ chuyển đổi buck có thể được sử dụng để sạc pin lithium ionđến 4,2V, từ nguồn 5V USB.

+ Bộ chuyển đổi boost nâng điện áp lên, tạo ra điện áp cao hơn điện ápđầu vào Bộ chuyển đổi boost có thể được sử dụng để điều khiển chuỗi đènLED từ pin lithium hoặc cung cấp đầu ra USB 5V từ pin lithium.

+ Bộ chuyển đổi buck-boost nâng điện áp lên hoặc xuống, tạo ra điện ápbằng hoặc cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào Bộ chuyển đổi buck-boostcó thể được sử dụng để cung cấp đầu ra 12V từ pin 12V Điện áp của pin 12Vcó thể thay đổi trong khoảng từ 10V đến 14,7V Bộ chuyển đổi buck-boostcũng có thể cung cấp năng lượng cho đèn LED từ một tế bào Điện áp rơi

thuận của LED cao tới 3 V Tế bào pin lithium có thể thay đổi trong khoảngtừ 2,5 đến 4,2 V Buck-boost tạo ra điện áp dương và âm.

+ Bộ chuyển đổi SEPIC cũng nâng điện áp lên hoặc xuống, tạo ra điệnáp bằng hoặc cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào SEPIC được sử dụngcho các ứng dụng tương tự như buck-boost, nhưng cung cấp một số lợi thếtrong một số ứng dụng.

1.3.3 Bộ biến đổi điện áp DC – AC

- Nhiệm vụ: Bộ nghịch lưu (DC-AC converter) là thiết bị có nhiệm vụ

chuyển đổi điện áp và dòng điện từ nguồn điện một chiều (DC) sang điện ápxoay chiều (AC) tương ứng.

- Phân loại

+ BBĐ điện áp (nghịch lưu điện áp)+ BBĐ dòng điện (nghịch lưu dòng điện)+ BBĐ cộng hưởng (nghịch lưu cộng hưởng)

1.3.4 Bộ biến đổi điện áp AC – AC

- Nhiệm vụ: Bộ nghịch lưu (DC-AC converter) là thiết bị có nhiệm vụ chuyểnđổi điện áp và dòng điện từ nguồn điện một chiều (DC) sang điện áp xoaychiều (AC) tương ứng.

- Phân loại:

+ BBĐ điện áp (nghịch lưu điện áp)+ BBĐ dòng điện (nghịch lưu dòng điện) + BBĐ cộng hưởng (nghịch lưu cộng hưởng)

1.4.Công thức tính công suất của tuabin gió

Trong ngành công nghiệp và kỹ thuật, tính toán công suất của một tuabin giólà một phần quan trọng Dưới đây là công thức phổ biến để tính công suất củatuabin gió:

Công suất (P) được tính bằng công thức sau:

 Cp là hệ số hiệu suất của tuabin gió, thường dao động từ 0.25 đến 0.45.

Trong đó, mật độ không khí (p) thường được xác định là khoảng 1.225 kg/m3 ở điều kiện tiêu chuẩn.

Để tính toán công suất của tuabin gió, bạn cần biết diện tích tiếp xúc của cánhquạt, vận tốc gió và hệ số hiệu suất của tuabin gió cụ thể.

1.4 TỔNG KẾT

Trong chương I đã nêu tổng quan về tình hình phát tiển năng lượng giótại Việt Nam Năng lượng gió đã trở thành một phần không thể thiếu trongngành năng lượng tái tạo của Việt Nam, đóng vai trò quan trọng trong việcđảm bảo cung cấp điện cho nền kinh tế phát triển và giảm thiểu tác động củabiến đổi khí hậu Với địa hình nhiều đồi núi và bờ biển dài, Việt Nam có tiềmnăng lớn để phát triển nguồn điện từ gió

Trong chương này cũng chỉ ra các bộ biến biến đổi điện tử công suấtnhiệm vụ và phân loại của từng bộ biến đổi Và đề tài này em lựa chọn sử

dụng bộ biến băm xung một chiều (DC-DC boost converter) để vận hành

hệ thống và quan sát đánh giá.

-Bộ DC-DC Converter được thiết kế để tối đa hóa năng lượng thu được chohệ thống quang điện và tuabin gió được gọi là bộ tối ưu hóa công suất.

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC2.1 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP (BOOST)

2.1.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1 Mạch tăng áp Boost

Hình 2.2 Dạng sóng của mạch boost

Hình 2.1 mô tả sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Boost Nó bao gồm nguồn

điện áp đàu vào một chiều Us, cuộn cảm L, van Tr, diode D, tụ lọc C và điệntrở tải R Van Tr có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho cuộn cảm L, chứkhông phải nối tả vào nguồn.

2.1.3 Nguyên lý hoạt động

Khi mosfet dẫn (kích vào chân G) lúc này điện áp tại cuộn cảmL = Vin, lúc này diode D1 ngắt do bị phân cực ngược và nó sẽ cắtmạch tải ra khỏi nguồn E đồng thời dòng trong cuộn dạy L sẽ xuấthiện và tăng từ giá trị ban đầu nào đó, cuộn dây tích lũy năng lượngdưới dạng từ trường Tụ điện C và diode D có tác dụng chặn dòngđiện đi tới các phần còn lại của mạch.

Hình 2.3 Mạch bắt đầu làm việc khi Mosfet đóng

Khi mosfet bị tắt nhanh chóng nên dòng điện dẫn đến cuộn cảm bị giảmđột ngột Bản chất của cuộn cảm là duy trì dòng điện trơn tru, nó không thíchsự thay đổi đột ngột của dòng điện Nên khi bị ngắt dòng điện, nó tạo ra mộtđiện áp lớn có cực ngược lại với điện áp ban đầu cung cấp cho nó trongkhoảng thời gian mosfet dẫn bằng cách sử dụng năng lượng được lưu trữtrong từ tường để duy trì dòng điện đó Điều này dẫn đến hai cực điện áp,điện áp cung cấp VIN và điện áp VL trên cuộn dây nối tiếp với nhau Cựcdương của diode bây giờ ở điện áp cao hơn so với cực âm (hãy nhớ rằng lúcđầu tụ điện đã được sạc để cung cấp điện áp) và được phân cực thuận, điều đócó nghĩa là ta đã nâng điện áp DC thành công.

Hình 2.4 Tụ điện được nạp và dòng qua tải là dòng qua diode

Hình 2.5 Dòng qua tải được duy trì nhờ tụ điện

Mỗi khi Mosfet dẫn điện trở lại, mạch sẽ có làm 2 vòng dòng điện điệnhoạt động Điện thế tại cực âm của diode D sẽ lớn hơn điện thế tại cực đươngdo điện áp trên tụ điện C giải phóng nên diode sẽ tắt, cách ly ngõ ra của mạchvới ngõ vào, tạo ra 2 vòng dòng điện hoạt động là của nguồn ngõ vào và điệnáp trên tụ điện C xả ra với giá trị VIN + VL cho tải Tụ C xả điện khi Mosfetdẫn và sẽ được nạp lại năng lượng khi Mosfet ngắt, tạo thành tuần hoàn nênviệc duy trì điện áp ngõ ra trên tải gần như được đảm bảo.

Phân tích cho thấy quy luật điện áp trên tải có dạng:



+ Điện áp n guồn ra Vout=2 4 V

+ Tần số hoạt động trong khoảng f = 30000Hz – 290000 Hz+ Chọn tần số hoạt động là 290000Hz

T =1f =

IL=Vo I0 ,maxV¿ =

24 8,33

12 =16,7

Chọn ∆ IL=10 % IL=10 % 16,7=1,67( A)

L=V¿ ton∆ IL

C=Io ton∆ Uc=

8,33 1,73

0,1 =144,1 μsF= > Chọn tụ hóa 150uF 50V

L =16,7+0,5

1,73 12

24,86 =17,1 V- Điện áp chịu đựng qua van lớn hơn Vout = 24V=> Chọn mosfet kênh N : IRFZ44N

2.3 MÔ PHỎNG MẠCH LỰC TRÊN MATLAB/ SIMULINK- Sơ đồ mô phỏng

- Giản đồ

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN3.1.1 Điều chế độ rộng xung PWM

PWM là viết tắt của Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)và nó là một kỹ thuật phổ biến được sử dụng để thay đổi độ rộng của cácxung trong một chuỗi xung PWM có nhiều ứng dụng như điều khiển độ sángcủa đèn LED, điều khiển tốc độ của động cơ DC, điều khiển động cơ servohoặc nơi bạn phải lấy ngõ ra analog bằng các thiết bị kỹ thuật số.

Các chân số của Arduino cung cấp cho chúng ta 5V (khi ở mức CAO)hoặc OV (khi ở mức THẤP) và ngõ ra là một tín hiệu sóng vuông Vì vậy,nếu chúng ta muốn làm mờ đèn LED, chúng ta không thể lấy điện áp trongkhoảng từ 0 đến 5V từ chân số này nhưng chúng ta có thể thay đổi thời gianON và OFF của tín hiệu Nếu chúng ta thay đổi thời gian ON và OFF đủnhanh thì độ sáng của đèn LED sẽ bị thay đổi Điều chế độ rộng xung về cơbản là một sóng vuông với thời gian cao và thấp khác nhau Một tín hiệuPWM cơ bản được hiển thị trong hình dưới đây.

Hình 3.1 Hình ảnh dạng xung với PWM

Có một số thuật ngữ liên quan đến PWM mà chúng ta cần phải biết, đó là:

Ton (On-Time): Khoảng thời gian khi tín hiệu ở mức CAO (5V).Toff (Off Time): Khoảng thời gian khi tín hiệu ở mức THẤP (0V).Chu kỳ (Period):

Như trong hình trên, Ton biểu thị thời gian ON (thời gian ở mức CAO) và

Toff biểu thị thời gian OFF (thời gian ở mức THẤP) của tín hiệu Chu kỳ làtổng của cả thời gian ON và OFF và được tính theo công thức như sau

Ttotal = Ton + Toff

Chu kỳ làm việc (Duty Cycle):

Chu kỳ làm việc được tính là thời gian ON trong một chu kỳ của tínhiệu Sử dụng công thức tính chu kỳ ở trên, chu kỳ làm việc được tính nhưsau

D = (Ton /Ton + Toff) = Ton/Ttotal

Vì vậy, ở chu kỳ làm việc 50% và tần số 1Hz, đèn LED sẽ sáng trongnửa giây và sẽ tắt trong nửa giây còn lại Nếu chúng ta tăng tần số lên 50Hz(50 lần ON và OFF mỗi giây), thì đèn LED sẽ được nhìn thấy phát sáng ở mộtnửa độ sáng bằng mắt người.

Biểu đồ sau đây cho thấy sự so sánh của các chu kỳ làm việc khác nhauvà mức điện áp tương ứng của chúng.

Hình 3.2 Hình ảnh dạng xung với các duty thay đổi

Từ biểu đồ, rõ ràng là khi tăng chu kỳ làm việc, điện áp ngõ ra (hoặccông suất được cung cấp) cũng tăng lên Đối với chu kỳ làm việc 100%, điệnáp tương ứng là 5V và đối với chu kỳ làm việc 50%, điện áp là 2,5V, v.v…

3.1.2 Cấu trúc điều khiển

Hình3.3 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung mộtchiều kiểu PWM

Sơ đồ cấu trúc Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa

Chỉ có nguyên tắc điều khiển kiểu PWM dùng các khâu này.

Hai khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau, tương tự như khâu tạo điện áp răngcưa của điều khiển chỉnh lưu phụ thuộc vào xung nhịp đồng bộ Hoạt độngcủa chúng cũng giống nhau do tính chất điện áp ra như nhau: đều là răng cưa.Điều khác biệt là ở chỗ, trong chỉnh lưu thì tần số xung nhịp phụ thuộc vàonguồn điện áp xoay chiều của lưới điện, còn với hệ băm xung thì tần số nàydo bản thân mạch điều khiển quyết định và không có quan hệ gì với tần sốlưới điện.

Có hai dạng răng cưa hay được dùng: răng cưa tuyến tính một cực tính, răngcưa tam giác hai cực tính

a, Răng cưa tuyến tính một cực tính

Trong phần BXMC sử dụng răng cưa dạng đi lên, chứ không nên dùng răngcưa đi xuống như trong điều khiển chỉnh lưu Nguyên do là: một hệ thốngtuyến tính, tức là có quan hệ tỉ lệ thuận giữa đại lượng ra và điện áp điềukhiển (ura = k.uđk) là rất thuận lợi khi xây dựng các bộ điều chỉnh tự động VìBXMC có ura tỉ lệ thuận với tham số γ, nên để hệ tuyến tính cần có uđk cũng tỉ