Thiết kế hệ thống chiếu sáng Hybrid sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời.PDF

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM LÊ HOÀI PHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG HYBRID NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn phòng Qu ản lý Khoa học – Đào tạo sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2013 Người thực hiện Lê Hoài Phương iii   TÓM TẮT LUẬN VĂN MỞ ĐẦU Năng lượng mặt trời và năng lượng gió là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn. Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời và năng lượng gió có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt trái đất. Để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới điện thông minh. Khi gió tác động lên các cánh quạt gió của tuabin cơ năng sẽ được chuyển thành điệ n năng xoay chiều AC sau khi đi qua hệ thống điều khiển chuyển đổi để kết hợp với nguồn điện do pin năng lượng mặt trời tạo ra. Nguồn năng lượng một chiều này được nạp trực tiếp vào bình ácquy thông qua hệ thống nạp, sau đó chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu. Bộ điều khiể n có chức năng truyền năng lượng này đến hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng. Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thiết kế máy phát điện. Chương 3:Thiết kế hệ thống gió: Hệ thống cánh quạt, tuabin, lựa chọn pin năng lượng mặt trời Chương 4: Mạch điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng. Chương 5: Thực nghiệm kiểm chứng. Kết kuận Để dễ theo dõi, bản luận văn đã được bố cục thành các chương với đầy đủ nội dung được đề cập đến đã giải quyết được những vấn đề sau đây: iv    Nghiên cứu về các nguồn và các công nghệ sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam.  Đánh giá tiềm năng và thực trạng ứng dụng năng lượng gió ở Biên Hòa: - Tốc độ gió, cấp gió - Chế độ gió ở Đồng Nai - Sản xuất điện năng từ năng lượng gió ở Đồng Nai  Thiết kế hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ - Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ - Thiết kế tính toán máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 300W. - Thiết kế lựa chọn pin năng lượng mặt trời công suất 40W. - Thiết mạch điện sử dụng hệ thống hybrid Bản luận văn này đã hoàn thành tố t nhiệm vụ đặt ra, theo đúng các yêu cầu về nội dung và chất lượng. v   ABSTRACT INTRODUCTION Solar and wind energy is a renewable form of energy with great reserve endlessly. It is one of the renewable energy sources of the most important natural gift for our planet. At the same time it is also a source of renewable energy sources such as biomass energy, the energy of the river, Solar and wind power can tell is endless. However, to harness and use this energy needs to know the characteristics and basic properties of it, especially when it comes to the earth's surface. To harness and use solar energy effectively need a smart grid system. When the wind acting on the blades of the wind turbine mechanical energy is converted into AC power after passing control system combined with switching to battery power by solar energy generated, energy sources DC is loaded directly into the bottle through the battery charging system, then converted into alternating current electric power (AC) by inverters. The controller which transfers this energy to the system control lights The content of the thesis is divided into five chapters: Chapter 1: Overview Chapter 2: Designing generator. Chapter 3: Design wind systems: System propellers, turbines, choosing solar battery Chapter 4: Control circuit lighting system. Chapter 5: Experimental verification. THE KUAN For ease of tracking , the thesis has been organized into chapters with full internal mentioned solution solves the following problems :  The study of the sources and uses of technology wind energy and solar energy in the world and in Vietnam .  Evaluate the status and potential of wind energy applications in Bien Hoa : vi   - Wind speed , wind levels - Wind regime in Dong Nai - Production of electricity from wind energy in Dong Nai  Design generator system using small wind power capacity - Block diagram generation system using wind power capacity of small - Design calculations synchronous generator excitation eternal 300W . - Design selection of solar battery power 40W . - Setting circuits using hybrid system of this thesis was to fulfill the tasks set out , in accordance with the requirements for the content and quality .   MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii ABSTRACT v MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG 4 1.1. Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird. 4 1.1.1. Hệ thống chiếu sáng thông thường 4 1.1.2. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời. 4 1.1.3. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybird gió và năng lượng mặt trời. 5 1.2. Các d ạng máy phát điện gió. 7 1.2.1. Máy phát điện gió hiện nay trên thế giới được chia thành hai loại cơ bản chính như sau: 7 1.2.2. So sánh tuabin trục đứng và trục ngang: 7 1.3. MỘT THÍ DỤ VỀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ GIÓ TRONG NĂM 10 1.4. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 11 1.5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 1.5.1. Hệ thống điện gió độc lập. 12 1.5.2. Hệ thống điện gió hybrid. 12 1.5.3. Bộ điều khiển: 13 1.5.4. Bộ sạc acqui 14 1.5.5. Bộ biến đổi 14 1.5.6. Đèn chiếu sáng 14 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN 16 2.1.Thiết kế chế tạo máy phát điện gió 16 2.1.1. Các công thức tính toán các số liệu chính của động cơ 16 2.1.2. Dây quấn, rãnh Stator và khe hở không khí 17 2.1.3. Kích thước Rotor 18   2.1.3.Tính toán mạch từ 19 2.1.4.Tổng kết các số liệu thiết kế 21 Chương 3: THIẾT KẾ CÁNH QUẠT 22 3.1. Tính toán xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng. 22 3.1.1. Dạng cánh Giromill 22 3.1.2. Dạng cánh Lenz2 24 3.2.Tính toán thiết kế thông số cánh tuabin: 25 3.2.1.Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ: 25 3.2.2.Thiết kế thông số cụ thể tuabin gió: 26 3.2.3.Các thiết bị phụ trong tuabin gió: 27 3.2.4.Động lực học cánh gió tuabin. 27 3.2.5.Tính công suất hệ thống cho turbin 3 cánh: 32 3.3.Lựa chọn pin năng lượng mặt trời 33 Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG. 35 4.1.Nghiên cứu mạch điện MPP, “Maximum Power Point”, để thu được công suất lớn nhất tại mọi thời điểm khi vận tốc gió thay đổi. 35 4.1.1.Giới thiệu: 35 4.1.2.Mạch biến đổi điện áp DC/DC: 36 4.1.3.Lý thuyết MPPT: 38 4.1.4.Giải thuật MPPT: 41 4.2.Thi công chế tạo bộ biến đổi điện áp dc/dc sử dụng giải thuật MPPT: 43 4.4.Thiết kế hệ thống hybrid: 45 Chương 5: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 50 5.1. Thực ngiệm dạng cánh: 50 5.2.Lắp đặt và vị trí lắp đặt: 51 5.3.Các thông số đo được 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 1. Kết luận 53 2. Kiến nghị 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 1  MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Ngoài lượng điện lưới thông thường thì năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng tái tạo mà Thế giới và Việt Nam đang quan tâm. Hiện nay, năng lượng gió, và năng lượng mặt trời đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác. Hệ thống sử dụng tuabin gió trục đứng đang là hướng nghiên cứu mới hiện nay do hệ thống này khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống trục ngang như là kết cấu nhỏ gọn; điều khiển công suất cho tải một cách độc lập; điều khiển góc mở của cánh gió theo hướng gió và theo cường độ gió. Như ta đã biết nhược điểm lớn nhất của tuabin gió trục đứng là khi quay nếu các cánh gió đều mở thì một bên có tác dụng hứng gió làm tuabin quay, bên còn lại cản gió làm giảm tốc độ quay của tuabin. Một số nghiên cứu gần đây khắc phục nhược điểm đó bằng cách điều khiển góc mở cánh gió thông qua việc thiết kế hình dáng động học của cánh gió hoặc dùng phương pháp che gió không cho tác động vào cánh gió ở nửa cản gió của tuabin đối với loại có công suất nhỏ hoặc sử dụng một số cách điều khiển cơ khí như sử dụng kết cấu cam đối với loại có công suất lớn mà chưa quan tâm đến điều khiển góc mở của cánh sử dụng các bộ điều khiển bằng điện kết hợp với kết cấu cơ khí để điều khiển công suất khi hướng gió cũng như cường độ gió thay đổi. Để phát huy các ưu điểm của hệ thống tuabin gió trục đứng là điều khiển được công suất cho tải phù hợp với cường độ gió ta phải có sự kết hợp giữa điều khiển điện và cơ. Đó chính là lĩnh vực nghiên cứu của cơ điện tử và cũng là hướng mà đề tài cần nghiên cứu. Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Công nghệ TP. HCM, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, phòng đào tạo Sau Đại học và PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Thiết kế hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng [...]... pin năng lượng mặt trời Chương 4: Mạch điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng Chương 5: Thực nghiệm kiểm chứng Các kết luận và kiến nghị 4   CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG 1.1 Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird và các công trình đã nghiên cứu về Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt. .. tải (đèn chiếu sáng) do công xuất của những tấm pin thường nhỏ nên các nhà thiết kế thường sử dụng hệ thống đèn led để chiếu sáng Hình 1.2 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời 1.1.3 Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybrid gió và năng lượng mặt trời Cùng với việc sử dụng năng lượng xanh và năng lượng mặt trời thì năng lượng gió cũng là một trong những nguồn năng lượng đang được... Sơ đồ hệ thống điện gió độc lập kết hợp acqui 1.5.2 Hệ thống điện gió hybrid Hệ thống hyrid hệ thống pin Năng lượng mặt trời /hệ thống năng lượng gió "Hybrid Power W-02" bao gồm các thành phần chính sau: Biến tần / bộ sạc năng lượng mặt trời, module năng lượng mặt trời, máy phát điện gió (bao gồm cả chỉnh lưu và bộ điều khiển) cũng như pin và hộp kết nối pin (BAE) 13   Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống hybrid. .. bin gió 1.1.4 Các công trình đã nghiên cứu về Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” trong nước và trên thế giới 1.1.4.1 Các công trình đã nghiên cứu về Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” trên thế giới Qua khảo sát một số các công trình nghiên cứu về đề tài hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời của một số các trường đại học tại một... Nam đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng gió chỉ mới được áp dụng thử nghiệm tại những cung đường nhỏ, các hải đảo Chính vì lẽ đó đề tài này tôi đã kết hợp hai nguồn năng lượng được lấy từ tuabin gió và pin năng lượng mặt trời Sự kết hợp của hai nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời thông qua bộ điều khiển Điện áp được lấy từ tuabin gió trong đề tài là nguồn điện 18VAC 3 pha, sau khi qua thiết bị... 1.5.1 Hệ thống điện gió độc lập Hệ thống năng lượng gió là hệ thống các thiết bị chuyển đổi cơ năng của gió sang điện năng phục vụ các mục đích của con người Những bộ phận chính trong hệ thống năng lượng gió gồm có động cơ điện một chiều, cánh quạt gió, trụ và cột, bộ phận biến đổi điện thích hợp với bình acqui và bộ nghịch lưu để đổi sang dòng điện xoay chiều Điện từ máy phát điện gió được nạp vào bình... phát điện gió tầm thấp  Nghiên cứu và thiết kế dạng cánh chịu được sự thay đổi lớn  Tìm hiểu một số dạng trụ có sẵn như trụ điện, trụ tháp anten của các đơn vị đã thiết kế sẵn để giảm chi phí đầu tư  Thiết kế pin năng lượng mặt trời tương ứng phù hợp cho chiếu sáng  Thiết kế mạch để có thể sử dụng được hai nguồn điện áp  Thiết kế mạch biến đổi DC-24 /AC -220, sử dụng thiết bị chiếu sáng 12   1.5... giảm năng lượng tổn hao Bộ điều khiển có chức năng hòa hai nguồn điện áp từ tuabin gió và pin năng lượng mặt trời 14   Một nhiệm vụ không kém quan trọng khác của bộ điều khiển được trình bày trong sơ đồ tổng quát của hệ thống năng lượng gió là nạp năng lượng cho hệ thống bình acqui Bộ điều khiển có nhiệm vụ chính là sẽ nạp năng lượng cho hệ thống ácquy kết hợp với kiểm soát tình trạng quá tải hệ thống. .. dụng năng lượng mặt trời Cùng với việc muốn phát triển một nguồn năng lượng xanh, năng lượng tái tạo các nhà thiết kế chế tạo cho ra đời đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời Với nguồn 5   điện chính được lấy từ pin năng lượng mặt trời sau đó qua bộ điều khiển (Maximum Power Point Tracking – MPPT) nạp trực tiếp vào bình accu từ đây nguồn điện được đưa các thiết bị nắn nguồn và đưa ra tải (đèn chiếu. .. sáng Hybrid trục ngang Hybrid trục đứng Hình 1.3 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng hybrid Đèn được tích hợp 2 tính năng ưu điểm của pin năng lượng mặt và tuabin gió Ban ngày cùng với việc tích hợp nguồn điện do pin năng lượng cung cấp thiết bị còn được nhận nguồn điện từ tua bin gió, vào ban đêm khi đèn được bật sáng, thì thiết bị vận hành được nhận nguồn điện từ hệ thống tua bin gió 1.1.4 Các công trình . để chiếu sáng. Hình 1.2 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời 1.1.3. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybrid gió và năng lượng mặt trời. Cùng với việc sử dụng năng lượng. QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG 4 1.1. Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird. 4 1.1.1. Hệ thống chiếu sáng. Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong nước và trên thế giới . 1.1.1. Hệ thống chiếu sáng thông thường. Hiện nay hệ thống chiếu sáng thông thường sử dụng hệ