THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ HỆ THỐNG KẾT HỢP SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN

10 1K 0
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ HỆ THỐNG KẾT HỢP SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ HỆ THỐNG KẾT HỢP SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN Hoàng Trí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM ABSTRACT In recent years, energy is the top concern of the countries in the world, especially in the context of fossil energy sources are being depleted In addition, environmental pollution, smog, global warming has been and will be a threat for the future Hence the urgency is to find new energy sources to replace fossil energy resources while ensuring environmental problems Hybrid models have been an effective means of producing generating electricity throughout the world lots of research work has been done and continuing the accomodate new advances in this system This paper proposes a hybrid energy system combining solar photovoltaic and wind turbine with backup storage batteries were designed, intergrated and the optimized to predict the behavior of generating system as a small scale alternative source of electrical energy where conventional generation is not practical With the theme " Design and manufacture of equipment model system combines solar and wind to produce electricity" to research, calculate and make the first hybrid system uses two sources of clean energy as wind and solar can be applied inreal life TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong năm gần đây, lượng mối quan tâm hàng đầu nước giới, bối cảnh nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt Ngoài ra, ô nhiễm môi trường, khói bụi, nóng lên toàn cầu mối đe dọa cho tương lai Do việc cấp thiết tìm nguồn lượng dần thay cho nguồn lượng hóa thạch mà đảm bảođược vấn đề môi trường Mô hình hybrid phương pháp hiệu sản xuất điện toàn giới nhiều công trình nghiên cứu thực tiếp tục tiến cho hệ thống Bài báo đề xuất hệ thống lượng hybrid kết hợp quang điện mặt trời tua bin gió với pin lưu trữ dự phòng thiết kế, tích hợp tối ưu hóa hệ thống nguồn thay quy mô nhỏ lượng điện mà nơi điện lưới quốc gia vùng xa xôi hải đảo Với đề tài“Thiết kế chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp lượng mặt trời gió để sản xuất điện” nhằm nghiên cứu, tính toán chế tạo hệ thống lai sử dụng hai nguồn lượng gió mặt trời áp dụng vào thực tế sống CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Năng lượng yếu tố cần thiết cho tồn phát triển xã hội trì sống trái đất Trong nhiều thập kỉ vừa qua, việc tiêu thụ lượng giới tăng lên với phát triển kinh tế Việt Nam nước đánh giá dồi tiềm lượng tái tạo (như lượng gió, thủy điện, mặt trời…) Năng lượng tái tạo tạo nguồn điện lưới chỗ, rẻ tiền, góp phần đảm bảo an ninh lượng Nếu đầu tư phát triển hướng nguồn lượng góp phần quan trọng vào việc giải vấn đề lượng, khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường, góp phần đảm bảo phát triển kinh tế bền vững Việt Nam Chương 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới Thiệu 2.1.1 Năng Lượng Mặt Trời: Bức xạ mặt trời bị hấp thụ phần bầu khí Trái đất, nên phần nhỏ tới bề mặt Trái Đất, gần 1.000 Watt/m2 lượng Mặt Trời tới Trái Đất điều kiện trời quang đãng Mặt Trời gần thiên đỉnh Mỗi giây mặt trời phát 3,968.1026 J (tương ứng với đốt cháy 1,32.1016 than), với khối lượng khoảng 1,98.1030 kg Nhiệt độ trung tâm biến đổi từ 10 triệu đến 20 triệu°C Việt Nam quốc gia có tiềm đáng kể lượng mặt trời, phía Bắc bình quân có khoảng từ 1.800-2.100 nắng/năm, phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000-2.600 nắng/năm Bức xạ mặt trời nguồn tài nguyên to lớn cho tỉnh miền Trung miền Nam trình phát triển bền vững Hướng đến việc xây dựng ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam lên hàng đầu khu vực cạnh tranh giới công nghệ sản lượng vào năm 2025, Dự thảo 20102025 vạch mục tiêu cụ thể khai thác hiệu điện mặt trời, đảm bảo an ninh lượng quốc gia tình (250 MWp = 456,25 tỷ KWh/năm), với lưới điện khí hóa 100% toàn lãnh thổ Việt Nam vào năm 2025 2.1.2 Năng Lượng Gió Vì gió không thổi đặn nên lượng điện phát sinh từ turbine gió thường sử dụng kết hợp chung với nguồn lượng khác để cung cấp lượng Nghiên cứu Ngân hàng giới rằng, Việt Nam nước có tiềm gió lớn nước khu vực: 39% tổng diện tích Việt Nam ước tính có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn 6m/s độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, 8% diện tích Việt Nam xếp hạng có tiềm gió tốt 2.2 Các Nghiên Cứu Liên Quan Đến Đề Tài 2.2.1 Các Nghiên Cứu Trong Nước  Khu công nghệ cao Q Tp.HCM: Đây hệ thống lai sử dụng lượng gió mặt trời tập đoàn Intel châu Á Sử dụng tuabin gió trục ngang, chiều cao 15m, cung cấp lượng cho bóng đèn LED Ngoài ra, có loại xe cộ chạy lượng mặt trời nội khu công nghiệp  Công viên Thanh Niên đường Trần Phú, Nha Trang năm 2013: Hệ thống gồm trụ đèn sử dụng cánh quạt với cánh quạt có chiều dài cánh 0,5m công viên có chiều cao 10m 12 trụ đèn sử dụng pin mặt trời có chiều cao 5m lắp đặt dọc theo sân bóng đá Thanh Niên Đây hệ thống đèn trời tối tự động bật sáng 2.2.2 Các Nghiên Cứu Ở Nước Ngoài  Sản phẩm đèn đường sử dụng hệ thống lai Đài Loan Hình Mô hình PG-SWL-001 Hình Hệ thống lai PG-SWL-004 lớn Lợi ích việc xây dựng loại nhà máy lượng kết hợp giảm hệ thống lưới điện, đồng thời nguồn lượng bổ sung cho nhau, dẫn đến lượng tải vào lưới điện ổn định so với nhà máy lượng mặt trời, lượng gió xây dựng riêng Theo Alexander Woitas – người đứng đầu phận kỹ thuật Solarpraxis AG: "Nghiên cứu kiểm tra với diện tích bề mặt Khi lắp đặt hệ thống quang điện kết hợp với tuabin gió tạo nguồn lượng gấp đôi so với việc lắp đặt hệ thống lượng mặt trời che khuất gây tuabin gió chiếm 1-2% diện tích hệ thống lượng mặt trời – thấp nhiều so với suy nghĩ trước đây” 2.2.3 Nguyên lý hoạt động  Hình Hệ thống điện mặt trời kết hợp với gió Nguyên tắc tạo điện từ lượng mặt trời gió  Pin mặt trời tạo điện thông qua hiệu ứng quang điện, dòng điện đưa tới xạc         để xạc vào bình Khi có gió, tuabine gió quay làm motor gắn theo quay, biến đổi từ trường nam châm motor sinh điện Đây dòng DC đưa tới chỉnh lưu, dòng DC nâng lên để nạp vào ắc quy Dòng điện sau vào ắc quy đưa đến chỉnh lưu DC – AC biến dòng chiều từ ắc quy thành dòng xoay chiều để đưa đến thiết bị sử dụng Để tránh xạc đầy gây hư hỏng cho ắc quy nên ắc quy nối với điều khiển Khi bình đầy dòng dẫn đốt nóng điện trở nhằm giảm áp cho ắc quy 2.3 Kết Cấu Của Hệ Thống Kết cấu sơ hệ thống gồm Phần đế: Chịu tải trọng liên kết phận khác hệ thống gồm turbine gió, pin mặt trời, sạc, ắc quy thành phần khác Phần turbine gió: gồm cánh với đường kính quay 2m Được liên kết với motor phát điện qua truyền đai Khung đỡ pin mặt trời: gồm khung gắn vào trụ có tác dụng đỡ pin Hộp đựng: Chứa phần khác hệ thống xạc, chuyển đổi… khỏi tác nhân bên Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 3.1 Phân tích yêu cầu  Số liệu cho trước: - Nhiệt độ môi trường: 25 – 35oC - Độ ẩm: 70 – 85% - Địa điểm lắp đặt: Khoa CKM (t/p Hồ Chí Minh) - Công suất: 150W  Phân tích sơ bộ: Hình Mô hình chọn lựa để thi công - Trung bình, Thành phố Hồ Chí Minh có 160 tới 270 nắng tháng, nhiệt độ trung bình 27 °C, cao lên tới 40 °C, thấp xuống 13,8 °C Hàng năm, thành phố có 330 ngày nhiệt độ trung bình 25 tới 28 °C - Thành phố Hồ Chí Minh chịu ảnh hưởng hai hướng gió gió mùa Tây – Tây Nam Bắc – Ðông Bắc Gió Tây – Tây Nam từ Ấn Độ Dương, tốc độ trung bình 3,6 m/s, vào mùa mưa Gió Gió Bắc – Ðông Bắc từ biển Đông, tốc độ trung bình 2,4 m/s, vào mùa khô Ngoài có gió tín phong theo hướng Nam – Đông Nam vào khoảng tháng tới tháng 5, trung bình 3,7 m/s  Như vậy, địa điểm để lắp đặt hệ thống thích hợp để sử dụng lượng Mặt Trời Tuy nhiên, với tốc độ gió trung bình đánh giá không phù hợp để sử dụng lượng gió  Ta chia lượng cần tạo thành - Năng lượng Mặt Trời: 80% (120W) - Năng lượng gió: 20% (30W) 3.2 Tính toán pin mặt trời cho hệ thống 3.2.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện hệ thống solar Tính tổng số Watt-hour sử dụng ngày thiết bị Cộng tất lại có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng ngày Ta có: 120W x 12h = 1440Wh 3.2.2 Tính số Watt-hour pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải ngày Do tổn hao hệ thống, số Watt-hour pin trời cung cấp phải cao tổng số Watt-hour toàn tải Số Watt-hour pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng, theo đó: 3.2.3 PV panel = 1440 x 1.3 = 1872 Wh/ngày Tính toán kích cỡ pin mặt trời cần sử dụng  Để tính toán kích cở pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính Watt-peak (Wp) cần có pin mặt trời Lượng Wp mà pin mặt trời tạo lại tùy thuộc vào khí hậu vùng giới  Mức hấp thu lượng mặt trời Việt Nam khoảng kWh/m2/ngày, lấy tổng số Watt- hour pin mặt trời chia cho ta có tổng số Wp pin mặt trời Tổng Wp PV panel = 1872 / = 374,4Wp Chọn loại PV có 110Wp số PV cần dùng 374,4 / 110 = 3,4  Chọn pin loại 110Wp Tấm pin mặt trời Solar Cells Panel biến đổi quang hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện Thông số kỹ thuật: - Hiệu suất: 15% - 18% - Công suất: 110W - Số lượng cells pin: 72 cells - Kích thước cells: -6 inchs - Loại cells: monocrystanlline polycrystalline - Chất liệu khung: nhôm - Tuổi thọ trung bình pin: 30 năm Độ nghiêng pin lắp đặt Góc nghiêng lắp đặt (φ: vĩ độ nơi lắp đặt) 3.2.4 Địa điểm lắp đặt ĐH SPKT TP.HCM vĩ độ khoảng 8-10 nên: chọn β = 20° 3.2.5 Chọn sạc lượng mặt trời Với số lượng pin lượng mặt trời 110W, ta chọn điều khiển sạc Kỹ thuật số Solar Charge Controller 12V – 250W (20A) 3.3 Tính toán thiết kế thiết bị gió 3.3.1 Tổng lượng tiêu thụ điện turbine gió phải cung cấp 3.3.2 3.3.3 Hình Bộ điều khiển sạc pin mặt trời ngày: Ta có: 30W x 12h = 360Wh Công suất turbine gió tạo tính theo công thức: Pmax = 0,36.h.r.v3 Vận tốc gió trung bình độ cao 12m thành phố Hồ Chí Minh 4m/s Ta chọn cánh quạt có kích thước h = 1,5m r = 1,2m Cánh quạt Là thành phần hấp thụ lượng gió chuyển động quay máy phát điện Như vậy, công suất tính: Pmax = 0,36.h.r.v3 = 0,36.1,5.1,155.43 40 W Năng lượng turbine gió cung cấp cho hệ thống ngày: W = P.t = 40.10 = 400 Wh > 360 Wh Với thời gian trung bình gió đạt 4m/s ngày 10 tiếng Theo TCVN2737, áp lực gió theo vận tốc gió xác định theo công thức: W = 0,0613.= 0,0613 (daN/) Lực gió tác dụng cánh quạt: Moment quay cánh quạt: Tần số góc cánh quạt: = 100(N/m2) F = W.S = W.D.h = 100.0,5.1,5 = 75 N M = F.l = 75.0,905 = 67,875 Nm Chu kỳ quay cánh quạt: Tốc độ quay cánh quạt: 3.3.4 Chọn mạch sạc cho turbine gió Để điện áp đảm bảo sạc vào ắc quy 12V, ta chọn mạch chỉnh lưu nhân áp Nguyên lý hoạt động mạch này: Giả sử tạo nửa chu kỳ dương điểm dương điểm âm dòng điện từ điểm để nạp vào tụ điện C2 qua Diode D1 để điểm Trong nửa chu kỳ tụ điện C1 Diode D2 không hoạt động Đến nủa chu lỳ nửa chu kỳ âm điểm âm Hình Sơ đồ mạch sạc cho turbine gió điểm dương nên lúc dòng điện từ điểm chạy qua D2 để nạp vào tụ điện C1 điểm để hoàn thành chỉnh lưu nửa chu kỳ thành nguồn điện áp hai cực tính âm – dương có tổng giá trị điện áp lần điện áp cuộn thứ cấp biến áp… 3.4 Tính toán inverter: Đối với hệ solar stand-alone, inverter phải đủ lớn để đáp ứng tất tải bật lên, phải có công suất 125% công suất tải Nếu tải motor phải tính toán thêm công suất để đáp ứng thời gian khởi động Hình Sơ đồ mạch nghịch lưu motor Chọn inverter có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định battery.Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện, ta không cần battery, điện áp vào danh định inverter phải phù hợp với điện áp danh hệ pin mặt trời Theo đó: Công suất sử dụng = 150 W Công suất inverter = 150 x 125% = 187,5W Chọn inverter 200 W trở lên Mạch nghịch lưu inverter 3.5 Tính toán battery Battery dùng cho hệ solar loại deep-cycle Loại cho phép xả đến mức bình thấp cho phép nạp đầy nhanh Loại có khả nạp xả nhiều lần mà không bị hỏng bên trong, bền, tuổi thọ cao Số lượng battery cần dùng cho hệ solar số lượng battery đủ cung cấp điện cho ngày dự phòng (autonomy day) pin mặt trời không sản sinh điện Ta tính dung lượng battery sau: - Hiệu suất battery khoảng 85% chia số Wh tải tiêu thụ với 0,85 ta có Wh battery Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) 0,6, ta chia số Wh battery cho 0,6 có dung lượng battery Do theo yêu cầu đề ra: Như chọn battery deep-cycle 12V/700 Ah cho ngày dự phòng 3.6 Những Tồn Tại Của Hệ Thống Giá thành sản phẩm cao Chương 4: CHẾ TẠO - THỬ NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ Bảng khảo sát tốc độ quay cánh quạt gió (vòng/phút) từ ngày 13/07/2014 đến ngày 17/07/2014 vào 7h, 12h 16h BẢNG KHẢO SÁT SỐ VÒNG QUAY CÁNH QUẠT TURBINE GIÓ STT Ngày 13/7/14 Ngày 14/7/14 Ngày 15/7/14 Ngày 16/7/14 Ngày 17/7/14 7h 12h 16h 7h 12 16 7h 12 16 7h 12 16 7h 12 16h h h h h h h h Lần 12 13 18 11 15 20 15 18 15 14 23 21 13 17 18 Lần 14 15 19 10 13 16 18 16 22 16 17 18 13 14 20 Lần 11 17 18 16 19 18 18 11 17 13 24 17 12 18 12 Đánh giá: - Tốc độ vòng quay không ổn định; - Thông thường, tốc độ vòng quay vào buổi chiều cao buổi sáng buổi trưa; - Hướng gió thường xuyên thay đổi gặp nhiều vật cản gây khó khăn cho việc đo đạc; - Chưa đo số vòng quay cánh quạt vào ban đêm; - Vì thiếu dụng cụ đo tốc độ gió nên chưa xác định hệ thống turbine gió có đáp ứng yêu cầu đưa ra… KẾT LUẬN - - - Qua trình thực đề tài nhóm thực rút hạn chế sau Việt Nam có nhiều tiềm lượng gió, mặt trời, sinh khối,… Tuy nhiên, việc ứng dụng lượng gió mặt trời vào thực tế chưa nhiều, chưa có nhiều người nghiên cứu lượng gió mặt trời Hiện nay, Việt Nam chưa có số liệu đầy đủ, cụ thể lưu lượng gió mặt trời vùng Các số liệu hầu hay số trạm trắc quan Việt Nam thực hiện; Do thời gian có hạn thông tin thiết bị giá hạn chế Vì vậy, người thực chưa có số liệu đầy đủ cho gió mặt trời TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Đình Thống – Lê Danh Liên, Cơ sở lượng tái tạo, NXB Khoa Học 10 11 Kỹ Thuật, 2006 GS TS Peter Werner, Các nguồn lượng có tính tái tạo – Các sở khả phát triển L Fingersh, M Hand, and A Laxson, Wind Turbine Design Cost and Scaling Model, 2006 Bài báo “A Hybrid model of solar-wind power generation system” tạp chí International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering Vol 2, Issue August 2013 tác giả Sandeep Kumar, Vijay Kumar Garg Bài báo “Optimal sizing of a stand-alone hybrid power via paricle swarm optimization for Kahnouj area in south-east of Iran” tạp chí Renewable Energy tác giả S.M Hakimi, S.M Moghaddas-Tafreshi Wind_measurement_equipment_VN.pdf http://hethongtudong.vn/vn/ http://pinmattroi.com/pin-nang-luong-mat-troi.html http://gptech.com.vn/product/list/124 http://www.pas.com.vn/ http://nhietdien.vn/ 12 http://www.viettrunginves.com/vi-VN/san-pham/NONE/may-phat-dien13 14 15 16 17 tuabingio/tags.aspx http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_aerodynamics http://en.wikipedia.org/wiki/Horizontal-axis_wind_turbine#Horizontal_axis http://en.wikipedia.org/wiki/Vertical-axis_wind_turbine http://www.windturbinestar.com/vertical-wind.html 10

Ngày đăng: 15/09/2016, 23:39

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • ABSTRACT

  • TÓM TẮT ĐỀ TÀI

  • CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

  • Chương 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

    • 2.1 Giới Thiệu

      • Bức xạ mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1.000 Watt/m2 năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng khi Mặt Trời ở gần thiên đỉnh. Mỗi giây mặt trời phát ra 3,968.1026 J (tương ứng với đốt cháy 1,32.1016 tấn than), với khối lượng khoảng 1,98.1030 kg. Nhiệt độ trung tâm biến đổi từ 10 triệu đến 20 triệuC.

      • Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặt trời, phía Bắc bình quân có khoảng từ 1.800-2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000-2.600 giờ nắng/năm. Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn cho các tỉnh miền Trung và miền Nam trong quá trình phát triển bền vững.

      • Hướng đến việc xây dựng ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam lên hàng đầu khu vực và cạnh tranh thế giới về công nghệ và sản lượng vào năm 2025,. Dự thảo 2010-2025 đã vạch ra các mục tiêu cụ thể là khai thác hiệu quả điện mặt trời, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trong mọi tình huống (250 MWp = 456,25 tỷ KWh/năm), cùng với lưới điện khí hóa 100% toàn bộ lãnh thổ Việt Nam vào năm 2025.

      • Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các turbine gió thường được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng.

      • Nghiên cứu của Ngân hàng thế giới chỉ ra rằng, Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong 4 nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW. Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt.

    • 2.2 Các Nghiên Cứu Liên Quan Đến Đề Tài

    • 2.3 Kết Cấu Của Hệ Thống

  • Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

    • 3.1 Phân tích yêu cầu

    • 3.2 Tính toán pin mặt trời cho hệ thống

    • 3.3 Tính toán thiết kế thiết bị gió

    • 3.4 Tính toán bộ inverter: Đối với hệ solar stand-alone, bộ inverter phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả tải đều bật lên, như vậy nó phải có công suất bằng 125% công suất tải. Nếu tải là motor thì phải tính toán thêm công suất để đáp ứng thời gian khởi động của motor.

    • 3.5 Tính toán battery

    • 3.6 Những Tồn Tại Của Hệ Thống

  • KẾT LUẬN

  • TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan